BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TRẦN ĐỨC CHUYỂN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM
CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG CHẬM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TRẦN ĐỨC CHUYỂN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM
CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG CHẬM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số:

62.52.02.16

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS ĐÀO HOA VIỆT
2. TS NGUYỄN THANH TIÊN

HÀ NỘI - NĂM 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn
của PGS. TS Đào Hoa Việt và TS. Nguyễn Thanh Tiên. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào.
Tác giả

Trần Đức Chuyển


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo hướng
dẫn khoa học, PGS.TS Đào Hoa Việt và TS Nguyễn Thanh Tiên, đã hướng
dẫn, vạch ra những nội dung cần giải quyết, sau đó kiểm tra kết quả nghiên
cứu, giúp đỡ và khuyến khích tôi hoàn thành luận án này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học và tập thể cán bộ giáo

viên Bộ môn Kỹ thuật điện / Khoa Kỹ thuật điều khiển đã quan tâm đóng góp
ý kiến giúp tôi hoàn thiện nội dung nghiên cứu.
Tôi chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Khoa Điện / Trường ĐH
Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp / Bộ Công Thương, đã tạo điều kiện giúp đỡ về
mặt khối lượng công việc để tôi có thời gian tập trung thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã
luôn thông cảm, động viên, khuyến khích giúp tôi có thêm nghị lực để hoàn
thành nội dung luận án.


iii

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ ii
MỤC LỤC .................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU..................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................ xi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM LÀM
VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẬM .............................................................................. 5
1.1. Khái quát về một số hệ thống truyền động bám cho các đối tượng có chế
độ chuyển động chậm..................................................................................... 5
1.1.1. Khái quát chung về hệ truyền động bám ......................................... 5
1.1.2. Chế độ chậm trong một số hệ thống truyền động bám phức tạp ..... 6
1.2. Xây dựng mô hình hệ truyền động bám làm việc ở chế độ chậm ............. 9
1.2.1. Xây dựng mô hình phần cơ hệ thống truyền động........................... 9
1.2.2. Mô hình động học đối tượng điều khiển phi tuyến với động cơ chấp
hành xoay chiều đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu .................................. 19

1.3. Mô hình hệ truyền động bám làm việc ở chế độ chậm và những yếu tố
ảnh hưởng .................................................................................................... 21
1.4. Những nghiên cứu trong nước và ngoài nước ........................................ 27
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu ........................................................................... 30
1.6. Kết luận chương ................................................................................... 32
Chương 2. CƠ SỞ TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING TRƯỢT
THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM PHI TUYẾN.. .. 34
2.1. Xây dựng phương pháp tổng hợp bộ quan sát trượt mô men cản ........... 34
2.1.1. Phương pháp Backstepping trượt (Backstepping - Sliding mode) .... 34


iv

2.1.2. Tổng hợp bộ quan sát trượt ............................................................ 38
2.1.3. Bộ quan sát trạng thái trong chế độ trượt đánh giá thành phần không
xác định........................................................................................................ 43
2.2. Phương pháp Backstepping trượt thích nghi cho hệ thống bám phi tuyến.. 45
2.3. Kết luận chương ................................................................................... 61
Chương 3. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
BÁM PHI TUYẾN ĐỘNG CƠ IPMSM LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẬM ... 63
3.1. Tổng hợp vòng điều khiển tốc độ backstepping trượt thích nghi cho hệ
truyền động bám làm việc ở chế độ chậm sử dụng động cơ IPMSM ............ 63
3.1.1. Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển backstepping trượt thích
nghi cho vòng điều khiển tốc độ................................................................... 64
3.1.2. Thiết kế bộ quan sát mô men cản.................................................. 71
3.2. Xây dựng hệ kín cho hệ thống bám theo vòng vị trí sử dụng động cơ
IPMSM trên cơ sở bộ điều khiển backstepping trượt thích nghi ................... 73
3.3. Kết luận chương ................................................................................... 78
Chương 4. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING TRƯỢT THÍCH NGHI HỆ THỐNG

TRUYỀN ĐỘNG BÁM LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẬM............................ 79
4.1. Mô phỏng hệ thống truyền động bám phi tuyến với BĐK tốc độ trên cơ
sở phương pháp backstepping trượt thích nghi sử dụng động cơ IPMSM .... 80
4.2. Mô phỏng hệ thống truyền động bám phi tuyến với BĐK vị trí trên cơ sở
phương pháp backstepping trượt thích nghi sử dụng động cơ IPMSM ......... 90
4.2.1. Nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền động bám vị trí trên cơ sở
phương pháp backstepping trượt thích nghi với bộ điều khiển PI ................. 90
4.2.2. Nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền động bám vị trí trên cơ sở
phương pháp backstepping trượt thích nghi với bộ điều khiển PID ........... 100
4.3. Khảo xát đánh giá trên mô hình thực nghiệm với động cơ IPMSM ..... 104


v

4.3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm.................................................. 104
4.3.2. Các kết quả thực nghiệm............................................................. 106
4.4. Kết luận chương ................................................................................. 110
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................. 111
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .......................................... 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 116
PHỤ LỤC .................................................................................................. 127
Phụ lục 1: Nghiên cứu mô phỏng, phân tích ảnh hưởng yếu tố phi tuyến và
thông số biến thiên đến sự làm việc của HTB ở chế độ chậm với bộ điều
khiển kinh điển PID.................................................................................... 127
Phụ lục 2: Các sơ đồ mô phỏng trong Matlab - Simulink ........................... 130
Phụ lục 3: Các tham số mô phỏng và code chương trình lập trình trong Matlab
Simulink cho BĐK backstepping trượt thích nghi ...................................... 135
Phụ lục 4: Code chương trình lập trình cho DSP TMS320F28069.............. 137



vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU
1. Chữ viết tắt Ý Nghĩa
TĐĐ

Truyền động điện

HTB

Hệ thống truyền động bám

CNC

Computer Numerical Control: Máy gia công CNC

BLDC

Brusless DC motor: động cơ một chiều không chổi than

IPMSM

Interior Permanent Magnet Synchronous Motor: Động cơ đồng
bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (có Ld khác Lq)

HTĐK

Hệ thống điều khiển

LabVIEW


Laboratory Virtual Instrusment Engineering Workbench

DAQ

Data Acqusition: phần cứng thu thập dữ liệu và điều khiển

NI

National Instrument

VSC

Variable Structure Control: bộ điều khiển có cấu trúc biến đổi

SVM

Space vector modulation: mô hình không gian véc tơ

DSP

digital signal processing: bộ xử lý tín hiệu số

DLL

Dynamic Link Library: Thư viện liên kết động

P

Bộ điểu khiển tỷ lệ


PI

Bộ điểu khiển tỷ lệ, tích phân

PD

Bộ điểu khiển tỷ lệ, đạo hàm

PID

Bộ điểu khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm

DI

đạo hàm và tích phân

PWM

Bộ điều chế độ rộng xung

PC

Personal computer: máy tính cá nhân

PLD

Programmable Logic Devices: Vi mạch logic lập trình được

ASIC


Application Specific Intergrated Circuits: các mạch tích hợp
ứng dụng riêng


vii

Osc

Oscilloscope: máy hiện sóng

KĐCS

Khuếch đại công suất

QTQĐ

Quá trình quá độ

LF

Hàm Lyapunov (Lyapunov Function)

CLF

Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function)

ĐTTSLG

Đặc tính tần số logarit


BĐK

Bộ điều khiển

2. Ký hiệu

Ý nghĩa

M L ; M dh ;

Mô men tải, mô men đàn hồi, mô men động cơ, mô men cản [Nm]

M dc ; M c
M B (t )

Mô men nhiễu [Nm]

W1 ( s )

Hàm truyền đạt của khối lượng thứ nhất

W2 ( s)

Hàm truyền đạt của khối lượng thứ hai

A1 ()

Đặc tính biên độ tần số pha


J1

Mô men quán tính của truyền động chấp hành [kgm2]

J2

Mô men quán tính còn lại của đối tượng bộ truyền cơ và tải [kgm2]

J

Mô men quán tính tổng cộng [kgm2]

C

Hệ số đàn hồi [Nm/rad]

Fhd

Lực đàn hồi [N]

n

Tốc độ (vòng/phút)

1 và  2

Vận tốc góc của động cơ và vận tốc góc trên tải [rad/s]

1' ;... n' ;  'j


Véc tơ hồi quy

 d ; r

Góc [rad]

sgn; sign

Hàm dấu

q

Biến dạng góc


viii

S

Biến dạng dài

i

Hàm phi tuyến

Ls , Lr

Điện cảm stato và rô to [H]

Ld , Lq


Điện kháng trục-d, điện kháng trục-q của động cơ điện [H]

Rs , Rr

Điện trở stato và rô to động cơ điện [  ]

isd , isq

Dòng điện tọa độ trục d, dòng điện trục q [A]

usd , usq

Các thành phần của véc tơ điện áp stato trên hệ trục tọa độ dq

m

Từ thông liên kết

,

Các độ khuếch đại thích nghi

i

Tỷ số truyền hộp đổi tốc



Tham số hằng chưa biết


 BL

Góc độ rộng khe hở [rad], (backlash angle).

F

Thành phần ước tính xấp xỉ bằng luật thích nghi

i

Sai số đánh giá

yr

Tín hiệu tham số chuẩn [rad]

 i, j

Hàm hiệu chỉnh

zi

Sai số hiệu chỉnh

X

Véc tơ trạng thái của hệ thống

Y


Véc tơ đầu ra của hệ thống

A

Ma trận hệ thống

B

Ma trận đầu vào

V

Hàm Lyapunov

Vi

Hàm Lyapunov thứ i

xi

Trạng thái thứ i của hệ thống điều khiển

ci ,  , 

Các hằng số dương


ix


i

Điều khiển ảo

i

Đại lượng hiệu chỉnh bộ quan sát

i

Sai số bộ quan sát



Ma trận có kích cỡ thích hợp

Q

Ma trận đối xứng

R

Tập các số thực

R+

Tập các số thực dương

C


Tập các số phức

T

Hằng số thời gian của một khâu

T

Hằng số thời gian của cả vòng điều chỉnh tốc độ

3. Chỉ số trên

Ý nghĩa

0

Độ

T1

Chuyển vị



Đánh giá

4. Chỉ số dưới

Ý nghĩa


i

Số nguyên

dh

Đàn hồi

xn

Xoắn

dc

Động cơ

max

Cực đại

min

Cực tiểu



Tổng

d , dat


Đặt trước

ms; masat

Ma sát

sd;sq

tọa độ trục d, tọa độ trục q


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

1

Hình 1.1. Sơ đồ khối HTB pháo AK230 trên tàu hải quân

7

2

Hình 1.2. Mô hình động học pháo tàu với mục tiêu di động


8

(máy bay)
3

Hình 1.3. Sơ đồ động học thể hiện mối quan hệ các phần tử

9

trong phần cơ
4

Hình 1.4. Mô hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi

10

5

Hinh 1.5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lượng có liên hệ

11

đàn hồi
6

Hình 1.6 a, b. Biến đổi sơ đồ cấu trúc từ hình 1.5

11

7


Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc phần cơ hệ truyền động

13

8

Hình 1.8 a), b). Kết quả khảo sát mô phỏng ĐTTSLG của hệ

14

thống 2 khối lượng có liên hệ đàn hồi trên Matlab - Simulink
9

Hình 1.9. Mô hình mô men ma sát phụ thuộc vào tốc độ

18

10

Hình 1.10. Mô hình điều khiển động cơ IPMSM

19

11

Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống truyền động bám vị trí

21


12

Hình 1.12. a), b) Đặc tính mô men cản của HTB làm việc ở

22

chế độ chậm
13

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát trên cơ sở các bước quan

41

sát
14

Hình 2.2. Sơ đồ bộ quan sát trên cơ sở phương pháp phân

42

chia chuyển động
15

Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống Backstepping trượt thích nghi

45

16

Hình 2.4. Hệ thống có dạng phản hồi thuần túy


46

17

Hình 3.1. Hệ thống tính toán bộ điều khiển backstepping trượt

70


xi

thích nghi
18

Hình 3.2. Sơ đồ khối bộ quan sát mô men tải

71

19

Hình 3.3. Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống bám

72

20

Hình 3.4. Sơ đồ khối hệ thống truyền động bám điện cơ làm

73


việc ở chế độ chậm sử dụng động cơ IPMSM
21

Hình 3.5. a), b) Biến đổi sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí

75

22

Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng sự phụ thuộc của mô men ma sát

79

vào tốc độ
23

Hình 4.2. Đặc tính mô men ma sát theo tốc độ

80

24

Hình 4.3. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển backstepping

81

trượt thích nghi hệ truyền động phi tuyến có kể đến phần cơ
của cơ cấu công tác
25


Hình 4.4. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển backstepping

81

trượt thích nghi hệ truyền động phi tuyến trên MatlabSimulink
26

Hình 4.5. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực  của động cơ, b)

82

tốc độ đặt d và tốc độ thực  của cơ cấu công tác trường
hợp 1
27

Hình 4.6. a) sai số bám sát theo tốc độ và b) M L ; Mˆ L ở trường

82

hợp 1
28

Hình 4.7. Đáp ứng dòng điện: a) isq, b) isd ở trường hợp 1

83

29

Hình 4.8. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực  của động cơ, b)


83

mô men đặt M L và mô men ước lượng Mˆ L trường hợp 2
30

Hình 4.9. Sai số bám sát theo tốc độ trường hợp 2

84

31

Hình 4.10. Đáp ứng dòng điện: a) isq, b) isd trường hợp 2

84

32

Hình 4.11. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực  của động cơ, b)

85


xii

mô men đặt M L và mô men ước lượng Mˆ L trường hợp 3
33

Hình 4.12. Sai số bám sát theo tốc độ trường hợp 3


85

34

Hình 4.13. Đáp ứng dòng điện: a) isq, b) isd trường hợp 3

86

35

Hình 4.14. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực  của động cơ, b)

86

mô men đặt M L và mô men ước lượng Mˆ L trường hợp 4
36

Hình 4.15. Sai số bám sát theo tốc độ trường hợp 4

86

37

Hình 4.16. Đáp ứng dòng điện: a) isq, b) isd trường hợp 4

87

38

Hình 4.17. a) Tốc độ đặt d và tốc độ thực  của động cơ, b)


87

mô men đặt M L và mô men ước lượng Mˆ L trường hợp 5
39

Hình 4.18. Sai số bám sát theo tốc độ trường hợp 5

88

40

Hình 4.19. Đáp ứng dòng điện: a) isq, b) isd trường hợp 5

88

41

Hình 4.20. Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bám phi tuyến với

89

BĐK vị trí có tính đến yếu tố phi tuyến mô men ma sát và đàn
hồi sử dụng khâu PI
42

Hình 4.21. Sơ đồ mô phỏng thực nghiệm nhận dạng khâu bậc

90


hai
43

Hình 4.22. Xây dựng đặc tính vào ra theo tốc độ

90

44

Hình 4.23. Đáp ứng vào ra BĐK vị trí: a) theo góc, b) bộ

92

quan sát mô men tải M L ; Mˆ L trường hợp 1
45

Hình 4.24. Sai số bám sát theo góc trường hợp 1

93

46

Hình 4.25. Thành phần dòng điện BĐK vị trí: a) isd, b) isq

93

trong trường hợp 1
47

Hình 4.26. Đáp ứng vào ra BĐK vị trí: a) theo góc, b) bộ


94

quan sát mô men tải M L ; Mˆ L trường hợp 2
48

Hình 4.27. Sai số bám sát theo góc trường hợp 2

94


xiii

49

Hình 4.28. Thành phần dòng điện BĐK vị trí: a) isq, b) isd

94

trong trường hợp 2
50

Hình 4.29. Đáp ứng vào ra BĐK vị trí: a) theo góc, b) bộ

95

quan sát mô men tải M L ; Mˆ L trường hợp 3
51

Hình 4.30. Sai số bám sát theo góc ở trường hợp 3


95

52

Hình 4.31. Thành phần dòng điện BĐK vị trí: a) isq, b) isd

95

trong trường hợp 3
53

Hình 4.32. Kết quả mô phỏng BĐK vị trí trường hợp 4 với

96

đáp ứng vào ra theo góc với giá trị ban đầu a) J2 = 6Kgm2, b)
giá trị mới J2 = 9Kgm2
54

Hình 4.33. Đáp ứng vào ra BĐK vị trí: a) theo góc, b) bộ

97

quan sát mô men tải M L ; Mˆ L trường hợp 5
55

Hình 4.34. Sai số bám sát theo góc trường hợp 5

97


56

Hình 4.35. Thành phần dòng điện BĐK vị trí: a) isq, b) isd

97

trường hợp 5
57

Hình 4.36. Đáp ứng vào ra BĐK vị trí: a) theo góc, b) bộ

98

quan sát mô men tải M L ; Mˆ L trường hợp 6
58

Hình 4.37. Sai số bám sát theo góc trường hợp 6

98

59

Hình 4.38. Thành phần dòng điện BĐK vị trí: a) isq, b) isd

98

trường hợp 6
60


Hình 4.39. Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bám với BĐK vị

100

trí có tính đến yếu tố phi tuyến mô men ma sát và đàn hồi sử
dụng khâu PID
61

Hình 4.40. Kết quả mô phỏng BĐK vị trí trường hợp 7: a) đáp

100

ứng vào ra theo góc, b) bộ quan sát mô men tải M L ; Mˆ L
62

Hình 4.41. Sai số bám sát theo góc trường hợp 7

101


xiv

63

Hình 4.42. Kết quả mô phỏng BĐK vị trí trường hợp 8: a) đáp

101

ứng vào ra theo góc, b) bộ quan sát mô men tải M L ; Mˆ L
64


Hình 4.43. Sai số bám sát theo góc trường hợp 8

102

65

Hình 4.44. Kết quả mô phỏng BĐK vị trí trường hợp 9: a) đáp

102

ứng vào ra theo góc, b) bộ quan sát mô men tải M L ; Mˆ L
66

Hình 4.45. Sai số bám sát theo góc trường hợp 9

103

67

Hình 4.46. Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thí nghiệm

104

68

Hình 4.47. Hình ảnh mô hình thực nghiệm

105


69

Hình 4.48. a) Tốc độ đặt d , tốc độ thực động cơ  ; b) Dòng

106

điện isd và dòng điện isq
70

Hình 4.49. a) Tốc độ đặt d , tốc độ thực của động cơ  ; b)

107

dòng điện isd và dòng điện isq
71

Hình 4.50. Tốc độ đặt d , tốc độ thực của động cơ 

108


1

MỞ ĐẦU
Hệ thống truyền động bám công nghiệp và khí tài quân sự được sử dụng
trong các hệ thống kỹ thuật cao như: hệ thống bánh lái tàu thuỷ, hệ thống
pháo tàu, hệ thống điều khiển khí cụ bay, hệ truyền động của máy đo xa Laze,
tay máy công nghiệp và máy cắt gọt kim loại CNC... Hệ thống truyền động
bám thường sử dụng động cơ có đặc tính mô men tốt như động cơ BLDC,
động cơ PMSM với hai dạng (surface-mounted PMSM là SPMSM) và

(interior PMSM là IPMSM). Động cơ này đang có ưu thế nổi bật về tính linh
hoạt, khả năng điều khiển mô men, tốc độ với độ chính xác cao, hiệu suất tốt,
giảm chi phí vận hành, đáp ứng được yêu cầu về mô men điều khiển, điện áp,
tốc độ, hiệu suất, độ chính xác, độ ổn định và độ cứng đặc tính cơ cho HTB
điện cơ [13], [40], [41], [45].
* Sự cần thiết của đề tài:
HTB thường gặp trong công nghiệp và quốc phòng có một chế độ làm
việc đặc biệt đó là chế độ chậm. Ta thấy những ảnh hưởng của tác động chậm
ở đầu vào dẫn đến hệ thống làm việc ở chế độ chậm, tính chất phi tuyến bộc
lộ thông qua biểu hiện là trong chế độ chuyển động chậm ảnh hưởng của ma
sát đàn hồi do bộ truyền cơ khí gây ra là rất đáng kể và không thể bỏ qua
được, vì vậy khi xây dựng mô hình phải kể đến tất cả các yếu tố (Mms, Mdh, Jquán tính) và các yếu tố này là thay đổi.
Việc nghiên cứu tổng hợp thuật toán điều khiển HTB có yếu tố phi tuyến
là vấn đề hết sức cần thiết và mang tính thời sự được nhiều người quan tâm.
Vấn đề này luôn có ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn cao. Với tính cấp
thiết như vậy, đề tài nghiên cứu của luận án được lựa chọn là: “Nghiên cứu
tổng hợp điều khiển hệ thống truyền động bám cho các đối tượng chuyển
động chậm”.


2

* Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu tổng hợp hệ thống truyền động bám cho các đối tượng
chuyển động chậm thực hiện trên cơ sở ứng dụng lý thuyết điều khiển mới
như: điều khiển trượt; điều khiển backstepping trượt thích nghi có tính đến bộ
quan sát, bộ lọc để tổng hợp bộ điều khiển. Nghiên cứu đánh giá khả năng
nâng cao chất lượng ổn định HTB làm việc ở chế độ chậm, nhằm thay thế
HTB đã và đang sử dụng động cơ một chiều bằng HTB sử dụng động cơ xoay
chiều 3 pha IPMSM tính đến yếu tố phi tuyến bất định (Mms, Mdh, Mc ...) của

bộ truyền cơ khí gây ra, có sử dụng bộ quan sát phụ tải, bù phụ tải.
* Đối tượng nghiên cứu:
Đề tài luận án liên quan mật thiết đến tính phi tuyến của đối tượng điều
khiển bao gồm: động cơ điện, bộ truyền cơ khí và cơ cấu công tác. Đối tượng
nghiên cứu của luận án là HTB làm việc ở chế độ chậm sử dụng động cơ
IPMSM. Động cơ này có đặc tính mô men tốt, làm việc có kết cấu chắc chắn
và độ tin cậy cao, là động cơ sevor đáp ứng được yêu cầu HTB làm việc ở chế
độ chậm. Ngoài ra động cơ còn tạo ra được BĐK chất lượng cao có thể thay
thế hệ thống sử dụng động cơ một chiều cũ trong công nghiệp và Quân sự.
* Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án được thực hiện trên cơ sở ứng dụng
lí thuyết mới về điều khiển, để giải quyết bài toán cụ thể là bài toán xây dựng
thuật toán và cấu trúc BĐK cho hệ thống bám có chú ý đặc biệt đến tính phi
tuyến của đối tượng điều khiển làm việc ở chế độ chậm. Phương pháp mô
phỏng và thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng và mở rộng kết quả lý
thuyết. Trình tự công việc như sau:
- Xem xét những yếu tố phi tuyến biến thiên của đối tượng điều khiển,
để xây dựng mô hình toán học phù hợp với HTB làm việc ở chế độ chậm.


3

- Sử dụng nhóm phương pháp điều khiển backstepping trượt thích nghi
cho đối tượng trong HTB làm việc ở chế độ chậm, đòi hỏi nâng cao chất
lượng điều khiển cho hệ thống truyền động điện.
- Nghiên cứu công cụ chuyên dụng trên môi trường lập trình mô phỏng
Matlab-Simulink, lập trình C, Labview - DAQ, DSP, PLD ASIC, DLL, .v..v...
phục vụ khảo sát, nghiên cứu thuật toán và tổng hợp hệ thống điều khiển, để
kiểm tra tính đúng đắn kết quả đạt được.
Trong quá trình nghiên cứu NCS kết hợp phương pháp lý thuyết và thực

nghiệm mô phỏng máy tính kết hợp với phần cứng DSP chuyên dụng.
* Phạm vi nghiên cứu:
Để thực hiện đầy đủ mục tiêu và nội dung đề xuất, cần phải nghiên cứu
toàn diện và tổng hợp vấn đề công nghệ, kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật phần
cứng và phần mềm, .v.v.. theo quan điểm tích hợp hệ thống. Nhưng chỉ giới
hạn như sau:
- Nghiên cứu những vấn đề về lý thuyết truyền động điện: phương pháp
tổng hợp BĐK tốc độ; BĐK vị trí góc, đặc biệt chú ý đến tính phi tuyến của
đối tượng điều khiển HTB làm việc ở chế độ chậm. Nghiên cứu ảnh hưởng
yếu tố phi tuyến, thông số biến thiên đến chất lượng làm việc của hệ thống.
- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển mới như: điều khiển
trượt, điều khiển backstepping thich nghi, điều khiển backstepping trượt thích
nghi có tính đến bộ quan sát, ..v.v... . Ứng dụng chúng vào trong hệ thống
truyền động bám sử dụng động cơ IPMSM làm việc ở chế độ chậm.
Bố cục của luận án: Ngoài phần mở đầu, kết luận chung và phụ lục, nội
dung chính của luận án được trình bày trong bốn chương, gồm:


4

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động bám làm việc ở chế độ
chậm
Chương này trình bày được vấn đề tổng quan và đặc trưng HTB điện cơ
trong công nghiệp và quân sự. Xây dựng, khảo sát mô hình phần cơ hệ truyền
động, phân tích mô hình hệ bám điện cơ khi kể đến yếu tố phi tuyến dưới
dạng mô hình hai khối lượng. Phân tích ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến như
mô men ma sát, dao động đàn hồi, đặc điểm động học HTB, tình hình nghiên
cứu trong nước và ngoài nước; từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển mới,
xác định phương pháp nghiên cứu trong luận án và đặt vấn đề nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở tổng hợp điều khiển backstepping trượt thích nghi cho

hệ thống truyền động bám phi tuyến
Trong chương hai trình bày cơ sở lý thuyết chung nhất của việc tổng hợp
điều khiển backstepping trượt thích nghi cho hệ truyền động bám phi tuyến
được nghiên cứu một cách trình tự. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều khiển về
thích nghi cho hệ thống có cấu trúc biến đổi, điều khiển backstepping trượt,
điều khiển backstepping trượt thích nghi cho hệ thống truyền động bám làm
việc ở chế độ chậm, có tính đến bộ quan sát trượt.
Chương 3. Nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển hệ thống bám phi tuyến
động cơ IPMSM làm việc ở chế độ chậm
Nội dung chính chương 3 là kết quả nghiên cứu tổng hợp BĐK
backstepping trượt thích nghi sử dụng động cơ IPMSM, trong khuôn khổ
vòng điều khiển tốc độ. Tiến hành xây dựng hệ kín theo vòng vị trí cho HTB
làm việc ở chế độ chậm, có tính đến yếu tố phi tuyến và thông số biến thiên
(Mms, Mc, Mdh, mô men quán tính, ...) ở bộ truyền cơ khí gây ra.


5

Chương 4. Mô phỏng và thực nghiệm đánh giá chất lượng điều khiển
backstepping trượt thích nghi hệ thống truyền động bám làm việc ở chế
độ chậm
Để minh chứng kết quả nghiên cứu tổng hợp BĐK ở chương 3, chương 4
tiến hành khảo sát mô phỏng đánh giá hệ thống truyền động bám làm việc ở
chế độ chậm trên Matlab-Simulink với BĐK tốc độ và bộ điều khiển vị trí với
nhiều trường hợp khác nhau. Nghiên cứu thực nghiệm với BĐK tốc độ đã
được xây dựng tổng hợp ở chương 3 trên mô hình vật lý sử dụng động cơ
IPMSM trong thực tế, nhằm đánh giá chất lượng điều khiển backstepping
trượt thích nghi; có sử dụng bộ quan sát, cho HTB làm việc ở chế độ chậm.



6

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM
LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẬM
1.1. Khái quát về một số HTB làm việc ở chế độ chuyển động chậm
1.1.1. Khái quát chung về hệ truyền động bám
Từ rất lâu trong công nghiệp và quân sự, người ta đã quan tâm nghiên
cứu đến hệ thống truyền động điện nói chung, hệ thống bám nói riêng. Chúng
rất đa dạng phong phú và ngày càng phát triển mạnh mẽ. Hệ thống truyền
động bám là hệ thống kín, trong đó lượng vào thay đổi theo thời gian một
cách ngẫu nhiên, lượng ra của hệ thống được điều khiển bám (lặp lại) theo
lượng vào với độ chính xác cho trước. Hơn nữa hệ thống bám là hệ thống mà,
các chỉ tiêu chất lượng được xét theo lượng vào và theo nhiễu. Độ chính xác
theo lượng vào là vấn đề trọng tâm cần chú ý khi thiết kế HTB, [1, 15, 46].
Yêu cầu hệ truyền động bám trong công nghiệp và quân sự cần đạt được
các yêu cầu sau đây, [5, 16, 26, 30, 31, 39, 40, 46]:
* Tính ổn định của hệ thống là yêu cầu cần phải được đảm bảo với mô
hình sử dụng trong tổng hợp điêu khiển. Tính ổn định có hể là cục bộ hay
tổng thể. Miền ổn định và sự hội tụ của hệ thống về miền này là vấn đề phải
quan tâm nghiên cứu. Đây là tính chất đầu tiên cần đạt được của HTĐK.
* Tính chính xác và tốc độ đáp ứng của hệ thống là quỹ đạo chuyển động
thực của hệ thống phải bám sát theo quỹ đạo chuyển động mong muốn và thời
gian quá độ để thực hiện quá trính bám sát với sai số là nhỏ nhất.
* Tính bền vững có thể hiểu là sự làm việc ổn định hệ thống đối với
những thay đổi của thông số không biết trước, nhiễu loạn và yếu tố phi tuyến
chưa được kể tới trong quá trình tổng hợp điều khiển. Đối với hệ thống có
tính bền vững, yếu tố trên không thể phá vỡ chất lượng của hệ thống đã được
tổng hợp.



7

Từ trước đến nay, HTB có mặt trong nhiều trang thiết bị quân sự và
công nghiệp. Một số hệ thống truyền động bám như hệ thống truyền động
quay an ten; đài ra đa, hệ thống truyền động quay bệ pháo 57, và một loạt hệ
thống bám pháo tàu Hải quân nhiều nòng như: AK230 nòng 30mm, AK630
nòng 30mm, AK725 nòng 57mm, AK 726 nòng 76mm..., bệ quay kính thiên văn,
hệ thống bám của rô bốt công nghiệp, máy cắt gọt kim loại CNC ... [13].
Theo mối tương quan giữa mô men động cơ và mô men cản ta có thể
chia các chế độ làm viêc của HTB thành 2 loại là chế độ làm viêc HTB với
đối tượng điều khiển chuyển động nhanh và chế độ làm viêc HTB với đối
tượng điều khiển chuyển động chậm.
Trong HTB điện cơ làm việc ở chế độ chậm đòi hỏi sai số bám sát nhỏ
thì tính chất chuyển động của hệ cần được quan tâm trong quá trình thiết kế
bộ điều chỉnh. Với hệ thống chuyển động nhanh với gia tốc lớn thì mô men
quay của động cơ chấp hành lớn hơn nhiều lần mômen ma sát, với hệ thống
chuyển động chậm thì mômen động cơ chấp hành cho phép so sánh với
mômen ma sát và mômen cản. Khi quan tâm đến hệ thống làm việc ở chế độ
chậm, thì chất lượng bám sát phụ thuộc nhiều vào việc đánh giá mô men cản.
Mômen ma sát là đại lượng khó xác định chính xác, phụ thuộc vào nhiều yếu
tố mang tính bất định của mô hình hệ thống truyền động điện, [13, 40].
1.1.2. Chế độ chậm trong một số hệ thống truyền động bám phức tạp
HTB làm việc ở nhiều chế độ khác nhau: quay tròn (đài ra đa), quay
trong dải quạt (camera quan sát, rađa quay ở chế độ bám bắt mục tiêu di
động), quay theo góc tà (góc tầm), góc phương vị (góc hướng). Nhận tín hiệu
đặt vào bộ điều khiển từ nhiều nguồn (máy tính điều khiển bắn mục tiêu, kính
ngắm, .v.v..). Sau đây ta xét HTB điều khiển vị trí pháo tàu Hải quân: là trang
thiết bị chủ yếu của lực lượng hải quân, đa số hải quân Việt nam đã và đang
sử dụng hệ pháo tàu từ những năm 1980. Hệ thống truyền động điều khiển bệ



8

pháo có một vai trò quan trọng trong việc hiện thực lệnh điều khiển nhận
được từ cơ cấu điều khiển khác nhằm tiêu diệt mục tiêu đã định, [13, 40, 46].
Yêu cầu đối với hệ truyền động điều khiển này cao: đảm bảo tính tác
động nhanh cực đại, độ chính xác điều khiển lớn (cho phép sai số tĩnh thường
≤ 3 ly giác, sai số động ≤ 5 ly giác), điều khiển đối tượng có quán tính lớn
góc quay hạn chế và dao động (do quá trình bắn, do thay đổi tầm bắn, do dao
động của sóng biển... tác động lên hệ điều khiển), khả năng chịu quá tải lớn
(thường hệ số quá tải được tính đạt từ 200% đến 400% ), [16, 40].
Để đạt được yêu cầu kỹ thuật khắt khe như trên, hệ thống truyền động
điều khiển truyền thống thế hệ cũ thường sử dụng động cơ điện một chiều
hoặc động cơ thuỷ lực để làm động cơ chấp hành, [13, 23, 40].
Thống kê trong thực tế hệ thống truyền động vũ khí đang sử dụng trong
nước và trên thế giới cho thấy hầu hết đều sử dụng ở dạng hệ điện cơ, [40]. Ví
dụ hệ thống truyền động sử dụng điều khiển các loại vũ khí pháo tàu như: AK
230, AK 176 (hệ thống máy phát động cơ), hệ thống truyền động thuỷ lực
dùng điều khiển một số loại pháo tàu như: AK 630, AK 726...
Sau đây ta xét hệ thống truyền động bám với một loại pháo tàu trên tàu
chiến Hải quân như hình 1.1:

Hình 1.1. Sơ đồ khối HTB pháo AK230 trên tàu hải quân


9

Hệ thống bao gồm: 1 Ra đa điều khiển; 2 cột ngắm (chế độ dự phòng); 3
máy tính trung tâm; HTP hệ thống bám phụ trợ: dùng để chuyển đổi điều

khiển theo tín hiệu vào góc từ chế độ máy tính sang chế độ cột ngắm; 4 cơ
cấu đo lường; 5 khuếch đại tín hiệu; 6 là KĐCS; 7 động cơ chấp hành; 8 hộp
đổi tốc; 9 hiệu chỉnh thu; 10 hiệu chỉnh phát; 11 máy đo góc lắc; 12 bệ pháo.
Hệ thống truyền động pháo tàu là HTB vị trí, ngoài tín hiệu điều khiển
tương ứng với góc dẫn động phát, còn sử dụng thêm tín hiệu điều khiển theo
tốc độ và gia tốc góc phát, tốc độ và gia tốc góc phản hồi từ cơ cấu chấp hành.
HTB pháo tàu còn có thêm tín hiệu phản hồi dòng điện, tín hiệu phản hồi này
có tác dụng làm tăng tốc trong giai đoạn bắt đầu có tín hiệu điều khiển, và
thực hiện hãm trước khi hệ thống đạt giá trị sai số góc điều khiển giảm về 0
để nâng cao độ chính xác giảm dao động và nhiễu cho hệ thống điều khiển.
Trong những chế độ làm việc hệ thống bám góc của đối tượng di động
có một chế độ làm việc đặc biệt là chế độ chậm; như hình vẽ 1.3 là sơ đồ trình
bày về lượng vào hệ thống bám góc tà ξ và góc phương vị β của pháo phòng
không đặt trên tàu chiến Hải quân. Ta thấy trong trường hợp máy bay là mục
tiêu di động đang sắp bổ nhào vào tàu, thì góc tà ξ thay đổi rất chậm. Để bảo
đảm độ chính xác, bám góc trong trường hợp này thì hệ thống bám góc tà ξ
cần phải làm việc tốt ở chế độ chậm này.

z1

x
x1

0

 

y1

y


Hình 1.2. Hình vẽ minh họa pháo tàu với mục tiêu di động (máy bay)