Bộ tự động phân chia tải cho hai diesel lai chung chân vịt theo thuật toán lấy giá trị cực đại giữa hai tín hiệu ra của hai bộ điều chỉnh tốc độ

m truyền của bộ điều chỉnh tốc độ R (s) là: 
𝑊1(𝑠) =
𝑀(𝑠)
𝑈đ𝑘(𝑠)
=
12400
(10𝑠 + 1)
 ; 𝑊2(𝑠) =
𝜔(𝑠)
𝑀(𝑠) − 𝑀𝑐(𝑠)
=
0.0001𝑠 + 1
30𝑠
 (1) 
𝑅𝜔(𝑠) = 4,2𝑠 + 2 (2) 
(nhưng hệ số khuếch đại của R (s) được chọn là 2 nhỏ hơn tính toán theo tiêu chuẩn modul tối ưu). 
Trong [6] đã đưa ra mô hình nhận dạng tốc độ chân vịt ncv, mô men cản trên trục 2 diesel MC1, MC2 
và mô men tổng MC: 
𝑛𝑐𝑣 = 𝐾𝑞√(𝑛1 − 𝑛2)2 + 2𝑛1𝑛2 (3) 
𝑀𝑐 = 𝑀𝑐1 + 𝑀𝑐2 = 𝐾(𝑛1
2 + 𝑛2
2) = 𝐾[(𝑛1 − 𝑛2)
2 + 2𝑛1𝑛2] (4) 
Trong đó: M - mô men cản do chân vịt quay sinh ra đã được quy đổi; 
 - hiệu suất ly hợp được chọn trong khoảng 0,98 ÷ 1; 
 i - hệ số truyền của hộp số i = KHS-1; 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 408 
 K và Kcv - hệ số tỷ lệ giữa mô men cản diesel và của chân vịt với bình phương tốc độ 
quay của nó; 
 Kq - hệ số tính toán tốc độ quay chân vịt 𝐾𝑞 = √
𝐾
𝐾𝑐𝑣𝑖
. 
1.2.2. Khối tự động phân chia tải tạo tín hiệu bù chung 
 Về nguyên tắc để phân chia tải ta cần đưa 2 tín hiệu đặt tốc độ phù hợp vào 2 hệ con. Hai tín 
hiệu đặt tốc độ đó có thể tạo ra nhờ tín hiệu đặt chung cộng (cho diesel 1) và trừ (cho diesel 2) với 
tín hiệu bù chung (hình 1). Dấu của tín hiệu bù chung ε phụ thuộc dấu của hệ số phân chia tải B. 
 Trong khối tạo tín hiệu bù chung trên hình 1 có thể thực hiện theo thuật toán lấy giá trị lớn 
nhất (MAX), hoặc cũng có thể lấy tín hiệu nhỏ nhất (MIN) của hai tín hiệu vào (F1=Ur1, F2=Ur2) để 
thực hiện phân chia tải. Tuy nhiên kết quả của 2 phương án này sẽ có sai khác về giá trị tốc độ chân 
vịt (n) và mô men cản do nó sinh ra. 
X
MAX
B%
F1 F2
+
-
Ud
U1
U2
+
+
+
-
X1 X2
ε -ε
Hình 1. Cấu trúc khối tạo tín hiệu bù chung 
Sơ đồ cấu trúc khâu tạo tín hiệu bù chung trên hình 2 được sử dụng trong nội dung nghiên 
cứu của bài báo. Thuật toán lựa chọn MAX (F1, F2) được thực hiện bằng cách so sánh 2 tín hiệu vào 
(F1, F2) dạng tương tự hoặc dạng số để có tín hiệu ra Logic điều khiển khóa liên động (Switch), 
đầu ra (COM) của khóa sẽ nhận giá trị MAX (F1, F2). 
Hình 2. Sơ đồ mô phỏng cho khâu tạo tín hiệu bù chung theo thuật toán MAX (Ur1, Ur2) 
1.3. Bộ lọc thông thấp bậc 2 
1.3.1. Phân tích tín hiệu ra của bộ điều tốc 
Tuy nhiên khác với tín hiệu MC là tín hiệu biến đổi rất chậm, còn tín hiệu Ur của các bộ điều 
chỉnh tốc độ PID thường có dạng thay đổi nhanh với biên độ không đều và có tần số luôn thay đổi 
được giới thiệu trên hình 3 [6]. Với các tín hiệu ra của bộ điều khiển khi có dạng biến động bất 
thường như vậy sẽ gây trở ngại lớn cho việc điều khiển, nhất là khi cần thực hiện việc tự động phân 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 409 
chia tải cho các đối tượng làm việc song song, nhất là khi B > 0,5 [6] và hệ số truyền đạt KĐ2 bị suy 
giảm 20%. Do vậy trong trường hợp này cần thiết sử dụng bộ lọc phù hợp để tạo ra đặc tính có 
dạng biến đổi chậm hơn, sử dụng thuận lợi hơn. 
Hình 3. Dạng tín hiệu ra từ1 bộ điều chỉnh tốc độ dạng PID 
để phân chia tải cho 2 Diesel lai chung chân vịt 
Để lựa chọn hàm truyền của bộ lọc ta cần phân tích dạng tín hiệu ra từ 1 bộ điều tốc (hình 3) 
từ giây thứ 24 đến giây thứ 30 (hình 4): có khoảng 15 đến 18 lần biến động phi chu kỳ trong 
khoảng thời gian 1s, tức là nó có tần số fcutoff = (15 ÷ 18) Hz, hay chu kỳ tương đối T = (66,7 ÷ 
55,6) ms. Trong nhiều trường hợp xấu hơn thì có thể nhiều hơn 25 lần biến động phi chu kỳ của tín 
hiệu ra từ bộ điều tốc (hay chu kỳ tương đối T = 40 ms). Như vậy tín hiệu ra từ bộ điều tốc UR là tín 
hiệu có tần số thấp (dưới 100 Hz). Do đó để xử lý dạng tín hiệu này ta chỉ cần dùng bộ lọc thông 
thấp (Low Pass Filter - LPF) thụ động hoặc tích cực, bậc 1 hoặc bậc 2, 
- Dạng hàm truyền bộ lọc thông thấp bậc 1: 
𝑊(𝑠) = 
𝑈𝑅(𝑠)
𝑈𝑉(𝑠)
= 
1 + 𝑏1𝑠
1 + 𝑎1𝑠
 𝑉ớ𝑖 0 ≤ 𝑏1 ≪ 𝑎1 (5) 
- Dạng hàm truyền bộ lọc thông thấp bậc 2: 
𝑊(𝑠) = 
𝑈𝑅(𝑠)
𝑈𝑉(𝑠)
= 
1 + 𝑏1𝑠
1 + 𝑎1𝑠 + 𝑎2𝑠2
 (6) 
Hình 4. Biến động của tín hiệu ra từ bộ điều tốc từ giây thứ 24 đến 30 
1.3.2. Lựa chọn các hệ số của hàm truyền LPF 
Để lựa chọn các hệ số a1, a2 và b1 của hàm truyền LPF dùng cho mục đích đề ra chúng ta 
cần khảo sát hiệu quả của việc lọc tín hiệu ra của bộ điều tốc nhờ một số mạch lọc thông thấp có 
dạng hàm truyền như (5) và (6) bằng phần mềm Matlab Simulink. Trên hình 5 giới thiệu sơ đồ mô 
phỏng việc xử lý tín hiệu UR khi dùng 4 dạng bộ lọc thông thấp. 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 410 
Hình 5. Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của các LPF 
Trong [7] đã khẳng định: “Nếu cùng bậc 1, hoặc 2 thì mạch lọc nào có thêm thành phần vi 
phân tuy nhỏ (b1 = 0,05) cũng có chất lượng kém hơn mạch lọc với b1 = 0. Mặt khác cấu trúc của 
mạch lọc có thêm thành phần vi phân sẽ phức tạp hơn và khi điều khiển, hoặc mô phỏng sẽ tốn thời 
gian hơn”. 
Khi so sánh về hiệu quả lọc tốt tín hiệu từ các kết quả đáp ứng của 4 bộ lọc với cùng tín 
hiệu vào trong [7] đã sắp xếp theo thứ tự như sau: 
- Thứ nhất là LPF bậc 2 không có khâu vi phân (b1 = 0) với a1 = 0,4 và a2 = 0 ,08; 
- Thứ hai là LPF bậc 2 có khâu vi phân với b1 = 0,05, với a1 = 0,4 và a2 = 0,08; 
- Thứ ba là LPF bậc 1 không có khâu vi phân (b1 = 0) và a1 = 0,4; 
- Cuối cùng là LPF bậc 1 có khâu vi phân với b1 = 0,05 và a1 = 0,4. 
Từ dạng tín hiệu (hình 4) đưa qua bộ lọc thông thấp bậc 2 với b1 = 0, a1 = 0,4 và a2 = 0,08 ta 
nhận được kết quả trên hình 6. Kết quả sau khi lọc cũng cho thấy biên độ đỉnh xung thứ nhất (peak 
1) là 75, xung thứ hai (peak 2) là 13, xung thứ ba (peak 3) là 0,7, xung thứ tư (peak 4) chỉ là -14. 
Đặc tính ở các khoảng thời gian còn lại không còn hiện tượng biến động tức thời về biên độ. Với 
dạng tín hiệu Ur sau lọc cho phép bộ phân chia tải dễ dàng thực hiện phép so sánh để lấy giá trị 
Max (Ur1, Ur1). 
Như vậy để mở rộng phạm vi thay đổi thông số B và suy giảm hệ số truyền KĐ của một 
diesel thì cần thiết sử dụng bộ lọc thông thấp bậc 2 không có khâu vi phân với a1 = 0,4 và a2 = 0,08. 
Hình 6. Tín hiệu ra của bộ lọc thông thấp bậc 2 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 411 
2.2. Mô phỏng quá trình tự động phân chia tải dùng tín hiệu Ur của hai bộ điều tốc 
Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ tự động phân chia tải theo Ur. 
giữa hai diesel lai chung chân vịt 
Theo sơ đồ mô phỏng được giới thiệu trên hình 7 chúng ta sẽ khảo sát đáp ứng của 2 hệ con 
với một số trường hợp cụ thể: khi hệ số phân tải B = 0 (cân bằng tải) và B ≠ 0 (phân chia tải) với hệ 
số truyền KĐ của 2 diesel như nhau, hoặc KĐ của một diesel bị suy giảm. 
2.2.1. Trường hợp 2 diesel có cùng thông số KĐ 
Trường hợp 1: Cân bằng tải khi đặt hệ số phân chia B = 0 và các thông số của 2 diesel 
không bị thay đổi có kết quả mô phỏng trên hình 8. Tiến hành mô phỏng quá trình đồng thời khởi 
động và nhận tải của 2 diesel với các thông số của diesel CAT 3516C hãng Caterpillar [3]. Trong 
thực tế không bao giờ xảy ra trường hợp 2 diesel đồng thời khởi động và cùng nhận tải ngay từ đầu. 
Việc mô phỏng cho trường hợp này nhằm mục đích kiểm tra kết quả tự động phân chia tải theo tín 
hiệu biển đổi nhanh và phi chu kỳ UR1 và UR 2 trong toàn dải tốc độ (từ không đến định mức). 
 Trên hình 8.a ta thấy 3 đường đặc tính tốc độ n1, n2 trùng nhau hoàn toàn và ổn định với tốc 
độ 1800 vòng/phút ứng với tín hiệu đặt là 10 và giảm xuống 1440 vòng/phút ứng với tín hiệu đặt là 
8. Tương ứng với tốc độ quay chân vịt ổn định n = 253 vòng/phút và giảm xuống 202,4 vòng/phút 
(đường nét đứt). Mô men Mc1 = Mc2 = 10080 Nm hai đặc tính trùng nhau (đường 2 hình 8.b) còn 
mô men tổng là đường 1 hình 8.b. Vì thế bộ tự động phân chia tải đều cho 2 tín hiệu đặt cho 2 hệ 
con có cùng giá trị 10 và 8 như nhau (hình 8.c). Như vậy ta thấy đáp ứng của 2 hệ con luôn trùng 
nhau khi tăng và giảm tốc độ. 
Trường hợp 2: Khi cần thực hiện việc phân chia tải cho 2 diesel ta phải đặt hệ số phân chia 
tải B. Khi có sự tham gia của 2 bộ lọc LPF đã được chọn thì ta có thể thay đổi hệ số B trong khoảng 
[-2, +2]. Ngoài khoảng này thì hệ rơi vào trạng thái dao động mạnh. Nếu đặt B < 0 thì diesel 2 sẽ 
nhận tải ít hơn diesel 1, tức là MC2 < MC1. Trong trường hợp cần cho diesel 2 nhận tải nhiều hơn 
diesel 1 thì cần đặt hệ số phân chi tải B > 0. 
Tuy nhiên khi cả 2 diesel cùng thông số chuẩn mà lại đặt hệ số B lớn thì một trong chúng sẽ 
bị hiện tượng quá tốc độ cho phép. Vì vậy để tránh sự cố quá tốc thì cần phải giảm giá trị đặt tốc độ 
cho toàn hệ. Trên hình 9 giới thiệu kết quả mô phỏng cho trường hợp 2 diesel cùng thông số KĐ và 
đặt hệ số B = - 2 với tín hiệu đặt tốc độ giảm xuống Uđω = 6. 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 412 
a) b) c) 
Hình 8. Kết quả mô phỏng quá trình tự động cân bằng tải theo UR cho hai Diesel 
đồng thời khởi động và cùng nhận tải 
Theo hình 9a ta thấy: mặc dù đã giảm tín hiệu đạt tốc độ xuống 6 nhưng tốc độ của diesel 2 
vẫn vượt qua 2000 vòng/phút. Tuy nhiên vấn đề này sẽ được giải quyết bằng cách đặt lại thông số 
hạn chế nhiên liệu. 
 Trên hình 9b chỉ ra đặc tính quá độ của mô men, từ trên xuống dưới lần lượt là mô men 
tổng, mô men do diesel 1 tạo ra và thấp nhất là mô men được tạo ra bởi diesel 2. Tín hiệu ra của bộ 
tự động phân chia tải (ứng với trường hợp đang xét) cho diessel 1 (đường chấm chấm) và cho diesel 
2 (đường nét liền) được chỉ ra trên hình 9c. 
Khi đặt ngược dấu của B thì đáp ứng của 2 hệ con có kết quả sẽ đảo lại vị trí trên hình 9. 
Hình 9. Kết quả mô phỏng quá trình tự động phân chia tải giữa hai diesel cùng KĐ 
với Udω= 6 và B = -2 
2.2.2. Khi 2 diesel không cùng thông số KĐ 
 Kết quả nghiên cứu về trường hợp hệ số truyền của 2 diesel khác nhau (KĐ1 ≠ KĐ2) đã 
khẳng định: không thể đạt được sự cân bằng tải ngay cả khi đặt hệ số B = 0 [6]. 
Khi thông số KĐ2 của diesel thứ 2 bị giảm 30% (KDiesel 2 = 8680) và đặt B = -2, Uđω = 6 thì 
quá trình phân chia tải vẫn được thực hiện. Cụ thể diesel 1 làm việc với tốc độ định mức và nhận 
toàn tải, ở giây thứ 5 diesel 2 được khởi động với tín hiệu đặt tốc độ Uđω2 = 6,5. Đến giây thứ 20 
b) c) a) 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 413 
đóng ly hợp diesel 2 và đồng thời giảm tín hiệu đặt tốc độ chung từ 10 xuống 6. Trên hình 10 giới 
thiệu kết quả mô phỏng cho trường hợp cụ thể này. 
Theo đáp ứng nhận được cho trường hợp cụ thể nói trên của hệ chúng ta nhận thấy: Việc 
thực hiện quá trình khởi động, nhận tải và tự động phân chia tải của 2 diesel không đồng thời vẫn 
được đảm bảo. 
Hình 10. Đáp ứng của hệ khi đặt B = -2 và hai Diesel khác thông số KĐ 
(KĐ2 giảm 30%) 
3. Đánh giá, kết quả nhận được 
Để thực hiện phân chia tải cho hai động cơ diesel công tác song song lai một chân vịt tàu 
thuỷ cần thiết phải có sự tham gia của khối tự động phân tải, mà trong nó có thể sử dụng thuật điều 
khiển MAX(Ur1, Ur2) từ 2 tín hiệu ra của 2 bộ điều chỉnh tốc độ. 
Khi sử dụng trực tiếp 2 tín hiệu ra từ 2 bộ điều chỉnh tốc độ diesel thì luôn không thể thực 
hiện việc cân bằng tải, hoặc phân chia tải nếu hệ số B vượt qua 0,5. Bởi vì việc lựa chọn tín hiệu 
vào khối tự động phân chia tải là Ur (tín hiệu ra của bộ điều chỉnh tốc độ quay của Diesel) tuy rất 
tiện lợi, nhưng tín hiệu này luôn biến động mạnh và phi chu kỳ. Nhưng khi sử dụng bộ lọc LPF bậc 
2 (không có khâu vi phân b1= 0) thì dạng của hai tín hiệu ra từ hai bộ điều tốc được xử lý, cụ thể 
không còn dạng biến động phi chu kỳ và trở thành tín hiệu có dạng biến đổi chậm. Với dạng hai đặc 
tính vừa nhận được giúp cho khối tự động phân chia tải thực hiện theo thuật toán điều khiển theo 
giá trị lớn nhất giữa chúng (Ur1 và Ur2 ) một cách thuận lợi hơn. 
Từ kết quả mô phỏng nhận được về việc tự động phân chia tải khi không [6] và có đưa bộ 
lọc LPF bậc 2 vào hệ cho phép đánh giá như sau: 
- Việc sử dụng bộ lọc thông thấp bậc 2 (như đã chọn) chỉ có hiệu quả khi: 2 diesel cùng 
thông số KĐ và hệ số B được đặt lớn hơn 0,5; hoặc khi hệ số truyền của hai diesel chênh lệch lớn 
hơn 20% so với thông số chuẩn của chúng; hoặc người vận hành tiến hành thay đổi chế độ làm việc 
của 2 diesel ngay trong các giai đoạn quá độ. Điều đó có nghĩa là trong các trường hợp không cực 
đoan như trên thì đáp ứng của hệ khi dùng hoặc không dùng bộ lọc LPF bậc 2 khác nhau không 
đáng kể; 
- Khi đưa bộ lọc thông thấp bậc 2 tham gia vào hệ thống điều khiển tự động phân chia tải 
cho hai động cơ diesel lai chung chân vịt, thì cho phép mở rộng phạm vi của hệ số phân chia tải B 
từ [-0,5, 0,5] lên [- 2, + 2] không phụ thuộc hệ số truyền KĐ, của diesel. 
Tuy nhiên kết quả nghiên cứu cũng khuyến cáo rằng: 
Việc thay đổi hệ số phân tải B ngoài phạm vi [- 2, + 2] khi hệ số truyền của một diesel giảm 
tới 30% thì đáp ứng của hệ có có dạng đập mạch - tựa ổn định, thậm trí không ổn định. 
b) c) a) 
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 
HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 414 
Vì khâu tự động phân chia tải hoạt động theo thuật toán Max (Ur1 và Ur2 ) nên việc lựa chọn 
dấu của hệ số phân chia tải B phải phù hợp với hệ số KĐ1 và KĐ2. Cụ thể: B sẽ mang dấu “+” khi 
KĐ1 KĐ2. Nếu vi phạm điều này thì đáp ứng của toàn hệ có 
hiện tượng đập mạch của tín hiệu đặt tốc độ cho 2 hệ con U1 và U2, dẫn đến đập mạch mô men và 
tốc độ quay của cả 2 diesel và chân vịt. 
Trong trường hợp KĐ1 ≠ KĐ2 thì nhất thiết phải giảm tín hiệu tốc độ đặt (Uđω) để tránh hiện 
tượng quá tốc cho một trong 2 diesel. Ví dụ khi KĐ2 giảm 30% thì tín hiệu đặt tốc độ chung phải 
giảm từ 10 xuống 6. 
Việc giảm tín hiệu đặt tốc độ cũng phải được chú trọng khi tăng hệ số phân tải B. 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Tài liệu khai thác hệ Diesel - chân vịt tàu Hậu Giang, năm 1980. 
[2]. Tài liệu khai thác hệ Diesel - chân vịt của Hãng Rolls-Royce, năm 2006. 
[3]. Tài liệu khai thác hệ Diesel - chân vịt của hãng Caterpillar, năm 2007. 
[4]. Lưu Kim Thành, Đỗ Văn A, Nguyễn Xuân Trụ. Nghiên cứu vấn đề tự động phân chia tải 
giữa các Diesel lai chân vịt tàu thuỷ. Đề tài NCKH Cấp Trường ĐHHHVN 6/2014. 
[5]. Lưu Kim Thành. Mô hình toán của của phần truyền động cơ khí trong các hệ tự động điều 
chỉnh vị trí. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Hàng hải số 2 - 06/2005. Trang 64 ÷ 67. 
[6]. Lưu Kim Thành, Đỗ Văn A, Nguyễn Xuân Trụ. Nghiên cứu thuật toán và cấu hình bộ tự 
động phân chia tải giữa các Diesel lai chân vịt tàu thuỷ. Đề tài NCKH Cấp Trường 
ĐHHHVN 6/2015.. 
[7]. Lưu Kim Thành, Đỗ Văn A, Nguyễn Xuân Trụ. Nâng cao chất lượng hệ tự động phân chia 
tải cho 2 Diesel chính làm việc song song bằng việc ứng dụng bộ lọc tín hiệu. Đề tài NCKH 
Cấp Trường ĐHHHVN 5/2016.