ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ TRANG NHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG
DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, 2017

1


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Trang Nhung
Sinh ngày: 23 tháng 02 năm 1990
Học viên lớp CHK17 – KTĐK&TĐH, Trường Đại học kỹ thuật công
nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận trong luận văn chưa từng được
công bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Trang Nhung

2

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của nhà trường, khoa, các phòng ban, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Võ Quang Lạp đã
tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ thuật
Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi có một môi trường học tập và
nghiên cứu tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên
luận văn còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ
hội đồng bảo vệ, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn
thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Trang Nhung

3


MỤC LỤC
TRANG BÌA PHỤ
LỜI CAM ĐOAN

1

LỜI CẢM ƠN


2

MỤC LỤC

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

7

MỞ ĐẦU

9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG
11
ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT
1.1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí

11

1.2. Một số vấn đề trong điều khiển vị trí

14

1.2.1. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính


14

1.2.1.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí

14

1.2.1.2. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính

15

1.2.1.3. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian

17

1.2.1.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế

19

1.2.2. Hệ động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám

20

1.2.2.1. Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào u(t)

21

1.2.2.2. Phương pháp bù nhiễu

22


1.3. Ứng dụng điều khiển chuyển động vị trí trong điều khiển cánh
24
hướng van cho hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện
1.3.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện

24

1.3.1.1. Giới thiệu sơ đồ hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van

25

1.3.1.2. Phân tích và chọn hệ truyền động

26

4


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ
31
MỞ CÁNH HƯỚNG VAN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Sơ đồ điều khiển chuyển động vị trí

31

2.2. Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC

31


2.2.1. Động cơ điện ĐB – KTVC

31

2.2.1.1. Nguyên lý làm việc

31

2.2.1.2. Biểu diễn động cơ điện ĐB - KTVC trên tọa độ vectơ không gian

32

2.2.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện ĐB – KTVC

39

2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ
42
ĐB_KTVC
2.3. Tổng hợp hệ thống

43

2.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện

45

2.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ


47

2.3.3. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện
ĐB_KTVC

48

2.3.4. Mô phỏng hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện ĐB_KTVC

50

2.3.4.1. Sơ đồ mô phỏng

50

2.2.4.2. Kết quả mô phỏng

50

2.3.4.3. Nhận xét

51

2.4. Mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng van và sự ổn định của nó

52

2.4.1. Xây dựng sơ đồ khối mạch vòng vị trí

52


2.4.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí

52

2.4.3. Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động van
cánh hướng khi dùng bộ điều khiển PID
2.4.3.1. Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ
ĐB_KTVC

54
54

2.4.3.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính

54

2.3.2.2. Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng

58

5


CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH
HƯỚNG VAN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY
59
NHIỆT ĐIỆN
3.1. Tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt

59
3.1.1. Nguyên lý điều khiển trượt

59

3.1.2. Phương pháp điều khiển trượt

61

3.1.3. Thiết kế luật điều khiển trượt

65

3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững

65

3.1.5. Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bền vững

70

3.1.6. Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt

71

3.2. Xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí

72

3.2.1. Các bước xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí


72

3.2.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt

74

3.2.3. Nhận xét và kết luận

77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

78

TÀI LIỆU THAM KHẢO

79

PHỤ LỤC

80

6


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BĐK: Bộ điều khiển
ĐB_KTVC: Động cơ điện đồng bộ - kích từ vĩnh cửu.
P: Bộ điều chỉnh tỷ lệ.

I: Bộ điều chỉnh tích phân.
D: Bộ điều chỉnh vi phân.
PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân.
CPU: Bộ xử lý trung tâm.
βI : Phản hồi âm dòng điện.
γn : Phản hồi tốc độ.
Ucđ : Điện áp chủ đạo.
Uđk : Điện áp điều khiển.
Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ.
T : Thời gian chu kỳ điện áp ra.
Ud : Điện áp ra của bộ biến đổi động cơ ĐB_KTVC.
Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ.
TBI : Hằng số thời gian máy biến dòng.

K BI : Hệ số phản hồi dòng điện.
T : Hằng số thời gian của khâu cảm biến vị trí.

KT
: Hệ số phản hồi vị trí.
1  PTT
Tu : Hằng số thời gian điện từ của động cơ.
Ti : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện.

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
(hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ...)
Hình 1.1.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)


12

Hình 1.2. Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối
của sai lệch (ITAE)
13
Hình 1.3. Sơ đồ hệ điều khiển vị trí

15

Hình 1.4. Quan hệ giữa  và ω

16

Hình 1.5. Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian

17

Hình 1.6. Quĩ đạo pha của điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian

18

Hình 1.7. Diễn biến theo thời gian của các đại lượng φ, ε, ω trong hệ điều
chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian
19
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù tác động đầu vào u(t)

21

Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù nhiễu


22

Hình 1.10. Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng nhiễu loạn

23

Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van

24

Hình 1.12. Các vị trí của cánh hướng

26

Hình 1.13. Đặc tính lưu lượng – độ mở van cánh hướng

28

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van

31

Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha

32

Hình 2.4. Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha

34


Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các
phần tử isα và isβ. Thuộc hệ tọa độ Stator cố định
35
Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ

36

Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông Rotor, còn gọi
là hệ tọa độ dq
37
Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC

39

Hình 2.9. Đồ thị véc tơ động cơ đồng bộ

40

Hình 2.10. Đồ thị vectơ của SPM với điều khiển giảm từ thông dòng stato
không đổi
40
Hình 2.11. Đặc tính momen khi giảm từ thông dòng điện stato không đổi
8

42


Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động động cơ ĐB_KTVC


43

Hình 2.13.Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống truyền động điện sử dụng biến
tần và động cơ ĐB_KTVC
45
Hình 2.14.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện

46

Hình 2.15.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ

47

Hình 2.16. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ

48

Hình 2.17. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định tốc độ truyền động biến tần
động cơ điện ĐB_KTVC
49
Hình 2.18: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID

50

Hình 2.19: Kết quả mô phỏng tốc độ và dòng điện

51

Hình 2.20 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí truyến tính


52

Hình 2.21. Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch vòng vị trí

53

Hình 2.22: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID

55

Hình 2.24: Mô phỏng PID với Ud= 15V

57

Hình 3.1: Phân tích hệ có khâu phi tuyến 2 vị trí và không bị kích thích bằng
phương pháp mặt phẳng pha
62
Hình 3.2: Giải thích hiện tượng trượt (sliding)

64

Hình 3.3: Sự phụ thuộc của e và e'

65

Hình 3.4. Minh họa định lý 1

67

Hình 3.5: Hàm thuộc với 5 tập


73

Hình 3.6: Luật hợp thành

74

Hình 3.7: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

74

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt

75

Hình 3.9: Mô phỏng mờ trượt với Ud=10V

76

Hình 3.10: Mô phỏng mờ trượt với Ud=15V

77

9


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Điều khiển chuyển động vị trí có một ý nghĩa rất quan trọng đối với máy
sản xuất. Chất lượng náy sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển chuyển

dộng của các máy sản xuất này. Trong thực tế thường gặp rất nhiều sự điều khiển
chuyển động vị trí máy sản xuất, ví dụ như: điều khiển chuyển động máy rô bốt,
điều khiển chuyển động bàn máy CNC, điều khiển chuyển động các van công
nghiệp... Để nâng cao chất lượng máy sản xuất thì người ta thường nghiên cứu
các phương pháp thích hợp để nâng cao chất lượng hệ chuyển động này. Đặc biệt,
các chuyển động vị trí của các máy sản xuất thường là các khâu phi tuyến. Cho
nên việc tìm ra các phương pháp thích hợp để nâng cao chất lượng hệ điều khiển
chuyển dộng vị trí có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học và thực tiễn.
Với cách đặt vấn đề trên, đề tài luận văn được chọn: ”Nghiên cứu điều
khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong
hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện”.Việc nghiên cứu và giải quyết
thành công vấn đề mà đề tài nêu ra là một yêu cầu rất cần thiết, vừa phục vụ học
tập giảng dạy, vừa phục vụ thực tiễn sản xuất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu hoản chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí để từ đó xây
dựng một sơ đồ điều khiển vị trí cho máy sản xuất thích hợp. Để khảo sát và đánh
giá sơ bộ chất lượng thông qua việc ứng dụng bộ điều khiển vị trí là tuyến tính.
Từ đó nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến thích hợp, như là điều
khiển mờ, mờ thích nghi, mờ trượt để chọn một phương pháp ứng dụng nhằm
nâng cao chất lượng hệ truyền động này với kết quả tính toán mô phỏng bằng lý
thuyết.
3. Dự kiến các kết quả đạt được
- Nghiên cứu hoàn chỉnh về lý thuyết điều khiển vị trí phục vụ cho hệ điều
khiển chuyển động. Đồng thời nghiên cứu các bộ điều khiển thông minh (phi
tuyến) để nâng cao chất lượng hệ.
- Chọn phương pháp tính toán và tổng hợp hệ đúng đắn nhằm đảm bảo
tính chính xác các thông số của các khâu, các khối và các bộ điều chỉnh. Trên cơ
10



sở đó tiến hành mô phỏng thành công để đánh giá chất lượng hệ bằng phần mềm
Matlab Simulink.
- Đề xuất ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều
khiển gió nhà máy nhiệt điện.
4. Nội dung luận văn
Chương 1: Tổng quan về điều khiển vị trí ứng dụng điều khiển máy sản xuất
Chương 2: Tính toán khảo sát hệ điều khiển chuyển động vị trí ứng dụng cho hệ
điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện
Chương 3: Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng
cho hệ điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện

11


NỘI DUNG

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG
ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT
1.1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí
Chất lượng sản phẩm được gia công trên máy sản xuất phụ thuộc rất nhiều
vào chuyển động của các máy sản xuất. Các chuyển động này có độ chuyển
động chính xác cao thì sản xuất ra chất lượng sản phẩm càng tốt. Các chuyển
động của máy có độ chính xác cao được đánh giá theo các tiêu chí sau: sai lệch
tĩnh nhỏ từ 3% - 5%, thời gian quá độ nhỏ (như thời gian khởi động, hãm dừng
máy,...), độ quá điều chỉnh nhỏ. Các chỉ tiêu này được đánh giá theo các tiêu
chuẩn
- Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)
- Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của
sai lệch (ITAE)

- Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai
lệch (ITSE)
 Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)
Theo tiêu chuẩn ISE, chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích phân
sau đây


e

2

(t )dt

(1-1)

0

Trong đó có thể thay thế cận trên không xác định bằng thời gian hữu hạn T đủ
lớn sao cho ở t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ qua. Hệ thống tối ưu là hệ
thống làm cho tích phân này cực tiểu.

12


R(t)

C(t)

t


e(t)
t

e 2 (t )

T

t

t
T

e

2

(t ) dt

0

Hình 1.1.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)
Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và đánh giá các sai lệch
nhỏ rất nhẹ. Trong một số trường hợp không nên dùng tiêu chuẩn này, thí dụ hệ
bậc hai. Một hệ thống được thiết kế tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban
đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém
ổn định. Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu cực
tiểu hoá tiêu thụ năng lượng.
 Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt
đối của sai lệch (ITAE)
Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm

cực tiểu tích phân sau đây


 t. e(t ) dt

(1-2)

0

Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn các sai lệch sau xuất
hiện trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống được thiết kế
theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm
suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh. Việc tính toán bằng
13


giải tích tích phân (1-2) là rất khó khăn, tuy nhiên có thể đo lường thực nghiệm
một các dễ dàng.

C(t)

R(t)

1,0
0,8

n=2

0,6


n=4
n=6

0,2

5

10

nt

Hình 1.2.Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt
đối của sai lệch (ITAE)
 Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm
sai lệch (ITSE)
Trong tính toán thiết kế người ta còn hay dùng tiêu chuẩn tích phân của
tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE)


 te

2

(t )dt

(1-3)

0

Tiêu chuẩn này có các kết luận giống như đối với tiêu chuẩn ITAE.

Những máy công cụ trước đây để đảm bảo độ chính xác các chuyển động
máy sản xuất thì người ta chỉ giải quyết được độ chính xác của hệ truyền động
điện. Nhưng độ chính xác của máy sản xuất thì ngoài đảm bảo độ ổn định cao
của hệ truyền động điện thì các chuyển động trên máy sản xuất phụ thuộc sự
biến đổi của thông số máy sản xuất, ví dụ sự thay đổi thông số của hộp số biến
đổi tốc độ, thay đổi thông số trong quá trình gia công như tải trọng thay đổi, mô
men cắt gọt thay đổi...Như vậy với việc ổn định hệ truyền động điện thì chưa
đảm bảo được độ chính xác của các chuyển động trên may sản xuất. Vậy muốn
đảm bảo độ chính xác của các chuyển động của máy sản xuất thì cần thiết kế,
14


tính toán và khảo sát tốt mạch vòng phản hồi vị trí. Với những nhận xét về các
đối tượng chuyển động ở trên ta thấy rằng nếu các đối tượng này trong quá trình
làm việc không thay đổi thông số, không chịu tác động của nhiễu hay nói cách
khác đối tượng này trong quá trình làm việc là tuyến tính thì mạch vòng vị trí
được thiết kế với bộ điều khiển vị trí là tuyến tính, cụ thể thường dùng bộ điều
khiển tuyến tính là PID. Nhưng đối tượng máy sản xuất trong quá trình làm việc
có thông số thay đổi, chịu tác động của nhiễu thì mạch vòng điều khiển vị trí với
bộ điều khiển được thiết kế là bộ điều khiển phi tuyến. Trong trường hợp đối
tượng điều khiển phi tuyến ít, ví dụ chỉ thông số hộp giảm tốc thay đổi... thì việc
thiết kế mạch vòng điều khiển vị trí bước đầu tiên là chọn sơ bộ bằng bộ điều
khiển PID tuyến tính. Sau khi đánh giá chất lượng các chuyên động ta có thể bù
các sai số này bằng những bộ điều khiển phi tuyến. Việc thiết kế cho phương
pháp này dễ dàng và thực tế người ta hay dùng nhằm nâng cao chất lượng của
hệ. Từ những lý luận trên ta thấy điều khiển vị trí có trong chuyển động của
máy sản xuất.
1.2. Một số vấn đề trong điều khiển vị trí
1.2.1. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính
1.2.1.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí

Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy,
người máy,... Tuỳ thuộc vào các cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải
rộng từ vài chục W đến hàng trăm kW.
Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt  w ) có ý nghĩa
quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển hệ. Thông thường lượng điều khiển
 w là một hàn của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính hoặc

tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol và hàm điều hoà.
Tuỳ thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí
cho cơ cấu chuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám (hệ
tuỳ động).
15


Sơ đồ hệ điều khiển vị trí được xây dựng như sau:


w

1

2



3

(-)


Hình 1.3. Sơ đồ hệ điều khiển vị trí
Trong đó:
Khối 1: Bộ điều khiển vị trí
Khối 2: Hệ truyền động điện ổn định tốc độ
Khối 3: Đối tượng điều khiển chuyển động của máy sản xuất
Đối với khối 1 nếu đối tượng là tuyến tính thì bộ điều khiển là tuyến tính.
Trong luận văn này đối tượng điều khiển là van thì xem đối tượng sản xuất
thông thường là khâu quán tính bậc 1, để đơn giản chúng ta xem là khâu tỷ lệ,
chủ yếu là phụ thuộc vào hộp giảm tốc. Cụ thể lượng ra của động cơ là tốc độ
điện (  ) và lượng ra của chuyển động là tốc độ dài (  ).
Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ
chính xác tĩnh nẵm trong giới hạn cho phép.
1.2.1.2. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính
Trong phần I.2.1.1, ta nói hệ điều khiển là tuyến tính nhưng quan hệ giữa
tốc độ góc của khối 2 và lượng ra là tốc độ dài khối 3 sẽ là quan hệ phi tuyến.
Quan hệ này được xem xét sau đây:
Ta xét quá trình hãm: Khi bắt đầu hãm, tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi
xấp xỉ nhau, nghĩa là:

(1  2 ).R  h
h - quãng đường hãm: h = 1  2 .

 h - vận tốc tại thời điểm bắt đầu quá trình hãm.
Quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức:
16

(2-1)


1 m2 ax.r

 h m ax 
2  h m ax

(2-2)

Trong đó  h m axlà gia tốc hãm cực đại cho trước.
Từ (2-1) và (2-2) ta có:

1 m2 ax.r
 h m ax.R  h  h 

2  h m ax
R     

Khi chọn

(2-3)

2. h max
2
max
.r

(2-4)

Quãng đường đi dược trong lúc hãm là:

h2 .r
  2.h max 



(2-5)

Khi tổng hợp mạch vòng vị trí R , ta đã chọn được hàm truyền đạt kiểu
PD với hệ số khuếch đại    const nhưng quan hệ tĩnh   f () trong quá trình
hãm (công thức 2-4) được thể hiện trên hình 2.1.

3

 2
 1

1
2
3
 2'

0

3 2

1



Hình 1.4. Quan hệ giữa  và ω
Như vậy khi  càng nhỏ thì yêu cầu hệ số khuếch đại của R càng lớn
để đạt được tốc độ hãm tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu
cầu.


17


Ta thấy hệ   f ( ) là phi tuyến và việc chọn R chỉ chứa hệ số khuếch
đại    const là không hợp lý. Để bù sai lệch cho hệ phi tuyến này ta có thể
dùng bộ điều khiển phi tuyến như mờ, mờ thích nghi, mờ trượt,... hoặc kết hợp
bộ điều khiển tuyến tính để nâng cao chất lượng của hệ.
1.2.1.3. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian
Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu điều khiển vị trí tối ưu theo thời
gian với thiết bị tương tự (analog)
Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng
thái đầu sang trạng thái ổn định khác. Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả
bởi hệ phương trình vi phân cấp cao.
Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp
mô đun tối ưu hoặc mô đun đối xứng sao cho hàm truyền của đối tượng điều
chỉnh là hai khâu tích phân. Như vậy quỹ đạo pha của nó là parabol và cấu trúc
của hệ như sau:

Hình 1.5. Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian
Phương trình đối với tốc độ và vị trí là:

  C maxt

(2-6)

1
2

  C m axt 2   o
o là vị trí ban đầu. Phương trình đối với lượng đặt tốc độ được giải từ (2-6)


w  2

Md
J

 Sign( )
18

(2-7)


Ở đây  d  C dientu là mô men hãm. Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí
ở đây là phi tuyến, thực hiện bằng phần tử căn bậc hai của sai lệch với hạn chế
lượng đặt tốc độ và hàm dấu của sai lệch. Tùy theo sai lệch vị trí mà bộ điều
chỉnh sẽ đưa lệnh hãm. Mô men điện từ của động cơ được tính bằng:

 dt   maxSign(w   )

(2-8)

Như vậy bộ điều chỉnh tốc độ là bộ điều chỉnh hai vị trí. Nếu không có tác
động nhiễu loạn và C=1 thì:

 d   dt   m ax  J

d
dt

(2-9)


Lúc đó:

n  2

 m ax
 Sign( )
J

(2-10)

Quá trình hãm xảy ra trong thời gian ngắn nhất với điều kiện o  0 và
 o  0 . Khi đặt một lượng

 w hệ sẽ có gia tốc với  max , tốc độ tăng tuyến tính

theo thời gian và theo bậc hai của sai lệch vị trí  cho đến khi sai lệch tốc độ
về không   0 . Nếu như lúc đó   m ax , hệ bắt đầu hãm tại điểm A. Nếu hạn
chế sai lệch vị trí thì sai lệch tốc độ vẫn giữ bằng không   0 (đoạn BC) cho
đến khi đạt được tới tốc độ hạn chế hệ chuyển sang quĩ đạo pha hãm tại điểm C.

m ax

C

B

A




0

 m ax

Hình 1.6. Quĩ đạo pha của điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian
19


φεω
D
ε

ω
φ

t
0

Tại điểm D hệ bắt đầu hãm
a) Ứng với   m ax
φεω
E

ω

F

φ


ε

t
0

Ứng với đoạn BC (hình 1.6): Đoạn EF là không đổi, quá trình hãm xảy ra tại
điểm F
b) Ứng với   m ax và bị hạn chế
Hình 1.7. Diễn biến theo thời gian của các đại lượng φ, ε, ω trong hệ điều chỉnh
vị trí tối ưu theo thời gian
1.2.1.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế
Khi nghiên cứu hệ điều chỉnh vị trí chúng ta đều dùng giả thiết không tính
đến ảnh hưởng nhiễu loạn  c và ta có  d   đt , thực tế điều đó không thực hiện
được, chính nhiễu loạn này sẽ ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động của hệ.
a) Nếu như ta đặt  d   đt thì mômen hãm sẽ lớn hơn thực tế cần có.
20


Truyền động sẽ hãm tại thời điểm muộn hơn rất nhiều và với mômen điện từ
nhỏ. Cho nên tốt hơn ta chọn  d   đt tức là hệ được điều chỉnh với mômen
hãm nhỏ hơn thực tế cần có. Hãm sẽ xảy ra sớm hơn. Điều này dẫn đến dao
động mômen ở hai giá trị   đt , như vậy sẽ làm thay đổi cực tính của sai lệch
tốc độ   w   , những dao động này xảy ra trong thời gian ngắn gây nên
hiện tượng giật trong phần cơ truyền động. Vì vậy ta phải chọn bộ điều chỉnh tốc
độ R là ba vị trí thay cho hai vị trí, cụ thể là một khâu tỷ lệ có hạn chế. Nhưng
đối với bộ điều chỉnh R như vậy thì giá trị của mômen sẽ biến thiên liên tục
trong giới hạn ( dt , dt ) , kết quả là thời gian hãm trong trường hợp  d   đt
sẽ lớn hơn so với thời gian hãm tối ưu.
b) Khi hãm với mômen điện từ cực đại có thể làm cho bộ điều chỉnh bão
hòa khi sai lệch tốc độ   w   nhỏ bằng cách chọn hệ số khuếch đại tỷ lệ

của bộ điều chỉnh lớn lên. Điều này sẽ làm cho đặc tính quá độ của hệ ở thời
điểm kết thúc quá trình bị dao động. Để dập tắt dao động này phải chỉnh định hệ
số khuếch đại của hệ điều chỉnh tốc độ và dòng điện.
c) Có sự sai lệch giữa hệ thực tế với lý thuyết là ở phần hệ số khuếch đại
của bộ điều chỉnh vị trí. Thực tế hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh R là hữu
hạn, nhưng về lý thuyết quĩ đạo pha parabol lại cần có hệ số khuếch đại ở tọa độ
đầu là vô cùng.
d) Ngoài ra trong điều chỉnh vị trí cần phải nghiên cứu cả ảnh hưởng
phần cơ truyền động. Thực tế tồn tại thành phần mômen ma sát khô. Thành phần
này gây quán tính chậm trễ quá trình động, đặc biệt chú ý ở cuối quá trình hãm
phải đảm bảo  dt   ms thi không gây dao động.
1.2.2. Hệ động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám
Yêu cầu hệ truyền động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám là:
đảm bảo cơ cấu dịch chuyển bám theo đại lượng điều khiển với sai lệch không
vượt quá giá trị cho phép. Thông thường trong chế độ bám, đại lượng điều khiển
biến thiên theo hàm điều hòa hoặc theo luật tùy ý không biết trước
21


Trong hệ truyền động này, ta phải quan tâm tới sai lệch  , nó quyết định
tới độ chính xác. Có hai yếu tố chính ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ.
- Quan hệ giữa đại lượng điều khiển  w và cấu trúc của hệ.
- Ảnh hưởng nhiễu loạn lên đại lượng  .
Để giảm ảnh hưởng của nhiễu và tăng độ chính xác người ta thường dùng
các phương pháp sau:
- Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào
- Phương pháp bù nhiễu.
1.2.2.1. Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào u(t)
Sơ đồ điều khiển vị trí dùng phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào
như hình 1.8


WB ( p)

U(p)

Y(p)
W1 ( p)

W2 ( p)

(-)

Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù tác động đầu vào u(t)
Trong đó WB ( p) là hàm truyền khâu bù
Hàm truyền của hệ thống:

Wk ( p) 

W 2 ( p)
Y ( p)
 [W1 ( p)  WB ( p)].
U ( p)
1  W1 ( p).W2 ( p)

(2-8)

Mong muốn với tín hiệu đặt vào u(t) thì hệ thống phải có đáp ứng Y(t)
trùng với U(t), tức là Y(t)  U(t).
Điều đó chứng tỏ Wk ( p)  1 , hay:
[W1 ( p)  WB ( p)].W


2

( p)  1  W 1 ( p).W

Rút ra:
22

2

( p)

(2-9)


WB ( p) 

1
W2 ( p)

(2-10)

Nếu thực hiện được đẳng thức (2-10), hệ thức sẽ khử được sai lệch hệ
thống vì y(t)=u(t), đạt giá trị mong muốn.
1.2.2.2. Phương pháp bù nhiễu
 Khái niệm về nhiễu: Các biến tác động vào quá trình khác với lượng vào
quá trình điều khiển chuyển động, có ảnh hưởng tới lượng ra của quá trình được
gọi là nhiễu, ví dụ như: mômen cản dao động hay tác động ngoại sinh, áp suất
ma sát thay đổi... Các bộ điều khiển thông thường được sử dụng để loại trừ
nhiễu hoặc bổ sung những thay đổi điểm đặt.

Sơ đồ có nhiễu f(t) tác động. Ta mong muốn tín hiệu ra chịu ảnh hưởng
của f(t) ít nhất. Trong trường hợp f(t)  0 mà y(t) không hề phụ thuộc vào f(t), ta
nói rằng hệ thống bất biến với nhiễu.
Cho hệ thống (hình 1.9), từ nhiễu f(t) ta đưa thêm khâu bù có hàm truyền
WB ( p) . Hệ thống có hai tín hiệu vào: u(t) và f(t). Vì đây là hệ tuyến tính, ta áp

dụng nguyên lý cộng (hay xếp chồng), tín hiệu ra y(t) có hai thành phần
f(t)
WB ( p)

U(t)

(-)

Y(t)
W1 ( p)

W2 ( p)

(-)
W3 ( p )

Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù nhiễu


yu (t ) khi có u(t)  0 và f(t) = 0:
Y u( p) 




W1 ( p).W2 ( p)
.U ( p)
1  W1 ( p).W2 ( p).W3 ( p)

yu (t ) khi có f(t)  0 và u(t) = 0:
23

(2-11)


YF ( p) 

[1  W1 ( p).WB ( p)].W 2 ( p)
.F ( p)
1  W1 ( p).W2 ( p).W3 ( p)

(2-12)

Do đó:

Y ( p) = Y u( p) + YF ( p)
 Y ( p) 

W1 ( p).W2 ( p)
[1  W1 ( p).WB ( p)].W 2 ( p)
.U ( p) 
.F ( p)
1  W1 ( p).W2 ( p).W3 ( p)
1  W1 ( p).W2 ( p).W3 ( p)


(2-13)

Từ (2-13) muốn y(t) không phụ thuộc vào f(t) mà chỉ phụ thuộc vào u(t)
thì hệ số của số hạng thứ 2 phải bằng không, tức là:

1  W1 ( p).WB ( p)  0
WB ( p) 

Hay:

(2-14)

1
W1 ( p)

(2-15)

Đối với hệ vô sai với tác động phụ tải khi phụ tải biến thiên nhảy cấp.
Thực tế phụ tải biến đổi là hãm không xác định được trước. Vì vậy biện pháp để
khác phục ảnh hưởng của nhiễu loạn phụ tải là dùng cấu trúc bất biến đối với
nhiễu loạn phụ tải.

M c

Uw

iu

WR




-

Wcđ

WKI

U 

W1

W2

U Mc

Wb
K
Tf p 1

1.10. Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng nhiễu loạn
Trong đó:

24


WKI : Bộ điều khiển điện từ. Hàm số truyền của khâu điện từ (khâu điện
từ và bộ điều chỉnh dòng điện)

Wcđ : Hàm số truyền của khâu điện cơ của động cơ

WR : Bộ điều chỉnh tốc độ
K
: Hàm số truyền của máy phát tốc
Tf p 1

I.3. Ứng dụng điều khiển chuyển động vị trí trong điều khiển cánh hướng
van cho hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện
I.3.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện
Hệ thống điều khiển gió là một hệ thống rất quan trọng ảnh hưởng trực
tiếp tới chất lượng hoạt động và hiệu suất của lò hơi. Trông hệ thống điều khiển
khói gió nói chung thì gió vào được điều khiển khá độc lập, tín hiệu điều khiển
chỉ phụ thuộc chính vào yêu cầu về nhiên liệu. Việc điều khiển lưu lượng gió
vào được thực hiện bằng cách điều khiển tốc độ quạt hút ổn định và độ mở cánh
hướng van bằng các cách sau:
 Giữ nguyên tốc độ quạt hút và điều khiển độ mở cánh hướng van
 Giữ độ mở cánh hướng van có độ mở cực đại rồi điều khiển tốc độ quạt hút
 Điều khiển cả tốc độ quạt và độ mở cánh hướng của van
Trong ba cách điều khiển trên, cách điều khiển giữ nguyên tốc độ quạt hút và
điều khiển độ mở cánh hướng van được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống
điều khiển khói gió hiện nay.
Điều khiển bằng tay
Tín hiệu đặt U *

X
-

phải
Điều khiển
động cơ


trái

Điều khiển cánh hướng

Quay phải

Quay trái

f(x)

Động cơ và cơ
cấu chuyển đổi

Phản hồi vị trí cánh hướng

Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van
25