Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử.

Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử Hà Nội 2022 Giáo viên hướng dẫn ThS Lê Ngọc Duy Sinh viên thực hiện 1 Ma Văn Hùng 2020604080 2 Hoàng Văn Hưng 2020601849 3 Vũ Đình Khánh 2020602[.]

Hà Nội - 2022

Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Ngọc Duy

Sinh viên thực hiện : 1 Ma Văn Hùng - 2020604080

2 Hoàng Văn Hưng - 2020601849

 -I Thông tin chung

1 Tên lớp: 20221ME6057002 Khóa: 15

2 Tên nhóm: Nhóm 9

Họ và tên thành viên: Ma Văn Hùng 2020604080

Hoàng Văn Hưng 2020601849

Vũ Đình Khánh 2020602362

II Nội dung học tập

Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp như hình 1 Và mạch động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là tínhiệu đặt tốc độ; ́θ là vận tốc góc của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các

thông số của động cơ như sau:

Yêu cầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều kích từ nối tiếp và

hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ như hình 1 Trong đó: M1 và

M2 là khối lượng của hai xe Hai xe liên kết với nhau bằng lò xo Bỏ qua ma sát bánh

xe với mặt đường Các thông số của hệ thống như sau:

- Khối lượng vật 1: 1 kg

- Khối lượng vật 2: 1 k g

- Độ cứng lò xo: 0.05 N/m

- Tốc độ đặt: 8 m/s

- Khối lượng thân xe: 0.5kg

- Khối lượng con lắc: 0.1kg

- Chiều dài con lắc : 0.3m

- Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2

- Hệ số ma sát của xe : 0.11N/m/s

Hình1

Yêu cầu:

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược

- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm20-sim

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

BÀI 1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1 Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

1.1 Đặc điểm.

Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng

Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại

Đặc tính Cơ–Điện và đặc tính Cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp có dạnghyperbol và rất mềm và tốc độ không tải lý tưởng bằng vô cùng

Không có tốc độ không tải lý tưởng đối với động cơ điện một chiều kích từ nốitiếp

Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ chịu dòng lớn, nên tiết diện to và sốvòng dây ít

1.2 Ưu điểm.

Nên dễ chế tạo và ít hư hỏng hơn so với kích từ độc lập

Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen Khi có cùng một hệ

số quá tải dòng điện như nhau thì mômen của động cơ kích từ nối tiếp lớn hơn động cơkích từ độc lập

Mômen của động cơ nối tiếp không phụ thuộc vào sụt áp trên đường dây tải điện,nghĩa là nếu giữ cho dòng điện trong động cơ định mức thì mômen động cơ cũng làđịnh mức

1.3 Nhược điểm.

Nhược điểm chủ yếu là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém độchính xác và không đảm bảo an toàn an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháynổ

2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có cấu tạo hai phần chính: phần cảm (stator), phần ứng(roto)

Hình 4 Cấu tạo động cơ điện kích từ nối tiếp.

• Phần cảm (stator)

Stator là một hay nhiều cặp nam châm điện

Cực từ phụ: Các cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và để cải thiện đổichiều

Cổ góp: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

Bộ chỉnh lưu (chổi than): Đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay củarotor là liên tục Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờmột lò xo tì chặt lên cổ góp

cuộn dây song song với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng

0 khi cuộn dây lệch 900 so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quaytheo quán tính

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽhoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng.Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điệnđộng hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vàođộng cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sửdụng như một máy phát điện

4 Các ứng dụng về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đờisống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệttrong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liêntục trong phạm vi lớn

• Động cơ một chiều được dùng nhiều trong các máy công cụ lớn, yêu cầutốc độ và số vòng quay cao

• Động cơ 1 chiều chúng ta thường thấy nhất là trong các ứng dụng đồ chơi,

xe mô hình, động cơ sử dụng pin để hoạt động là động cơ một chiều hết nhacác bạn

• Như vậy động cơ 1 chiều được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị như : ổđĩa, máy photocopy,…

5 Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

5.1 Các phương pháp điều khiển động cơ.

Điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều bằng cách sử dụng điện trở

Đây được xem là phương pháp đơn giản nhất giúp chúng ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều Chỉ cần mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vòng quay giảm và tốc độ sẽ chậm

đi tương ứng.

Điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều bằng cách điểu khiển từ thông

Điều chỉnh từ thông hay còn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện động của động cơ Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên Tuy nhiên, trên thực tế, phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện.

Điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều bằng cách điểu khiển điện

áp phần ứng

Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ hoặc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ Khi thay đổi điện áp của phần ứng thì tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng.

Điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều bằng cách điều chế độ rộng xung PWM

Đối với các động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất nhỏ ta có thể

sử dụng bộ băm xung tạo ra dãy xung điện áp một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ.

Bằng cách điều chỉnh độ rộng của xung (duty-cycle) ta có thể điều khiển động cơ điện một chiều

5.2 Các phương pháp điều khiển chính.

Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trước hết độ ổn định của trạng thái vòng kín Trong các hệ thống tuyến tính, điều này có thể đạt được bằng cách thay thế trực tiếp các cực Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng các lý thuyết đặc biệt để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến các quá trình động học bên trong hệ thống Các kỹ thuật điều khiển chính:

-Điều khiển thích nghi

-Điều khiển phân cấp

-Điều khiển thông minh

-Điều khiển tối ưu

-Điều khiển bền vững

-Điều khiển ngẫu nhiên

6 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

-Hệ thống tuyến tính

-Hệ thống điều khiển phi tuyến

-Hệ thống phân tán

Hình 5 Sơ đồ hệ thống điều khiển.

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển động cơ

Các phần tử trong hệ thống:

Khối chức năng gồm: bộ điều khiển (controller) và mạch điện điều khiển (plant)

Bộ tổng: giúp tính số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi

Giá trị đặt: là giá trị mong muốn trong quá trình điều khiển

Giá trị phản hồi: là giá trị hiển thị sau khi thực hiện quá trình điều khiển

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative): là một cơ chế phảnhồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệthống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụngnhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "saisố" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển

sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

1 Suất điện động phần ứng của máy điện một chiều.

Hình 6 Mạch điều khiển tốc độ động cơ kích từ nối tiếp.

Sức điện động e được tạo bởi một thanh dẫn có bề dài l di chuyển với vận tốcdài v trong từ trường đều B tạo ra bởi phần cảm, ta có:

K e :Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ

• Công suất và momen của máy điện một chiều:

- Công suất điện từ:

P dt=E u I u (2.4)

- Momen điện từ:

2 Phương trình vật lí mô tả động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Sử dụng định luật kirchhoff 2 cho mạch động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp u(t)=U u(t)+U kt(t) (2.8)

u (t) làđiện áp cấp cho mạchđiện

Áp dụng định luật II newton cho chuyển động quay của trục động cơ:

M (t )−M t(t )=K2.i(t) (2.19)Biến đổi laplace của phương trình (2.13), (2.15), (2.16), (2.18) ta được:

Chương 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH

1 Điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID.

1.1 Các phương pháp điều khiển chính.

- Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID Những phương pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó

chọn P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình động học Các phương pháp điều chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vòng lặp có thời gian đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn.

- Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay không vòng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống Nếu hệ thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt

hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian,

sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển

 Điều chỉnh thủ công.

Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết

đặt giá trị đầu tiên của Ki và Kd bằng không Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó Kp có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau đó tăng Ki đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý Tuy nhiên, Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng Kd , nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu Tuy nhiên, Kd quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá

lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết đặt một

giá trị Kp nhỏ hơn một nửa giá trị Kp gây ra dao động.

 Điều chỉnh theo phương pháp Ziegler–Nichols.

Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp Ziegler–Nichols, được đưa ra bởi John G Ziegler và Nathaniel B Nichols vào những năm

1940 Giống phương pháp trên, độ lợi Ki và Kd lúc đầu được gán bằng không Độ lợi

P được tăng cho đến khi nó tiến tới độ lợi tới hạn, Ku , ở đầu ra của vòng điều khiển bắt đầu dao động Ku và thời gian dao động Kp được dùng để gán độ lợi như sau:Bộ điều khiển PID

2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả từng thành phần của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Bước 1: Đặt các Junction 0 tại các vị trí có điện thế khác nhau:

Hình 3.1 Đặt các junction 0 vào các điểm có điện thế khác nhau

Bước 2: Chèn các phần tử của hệ thống bằng cách kết nối với các Junction

1 và đặt vào giữa các Junction 0 có liên quan:

Bước 3: Liên kết các Junction 0, Junction 1 lại với nhau bằng các đường liên kết:

Bước 4: Tối giản hoá sơ đồ:

Bước 5: Gán công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ tối giản:

Xây dựng biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ điên 1 chiều kích từnối tiếp:

Xây dựng biểu đồ bond graph hoàn chỉnh cho cả hệ thống:

Để kết nối phần hệ thống điện và hệ thống cơ khí ta cần sử dụng phần tử MGY làphần tử biến đổi điện năng thành cơ năng:

Hình 7 Bond Grab hệ thống hở động cơ kích từ nối tiếp

Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp với R làtín hiệu đặt tốc độ, tín hiệu vào của mạch điện động cơ là điện áp và tín hiệu đầu racủa hệ thống là tốc độ quay của động cơ

Trong các phương pháp điều khiển góc quay của động cơ thì phương pháp sửdụng bộ điều khiển PID chính xác Khâu hiệu chỉnh PID là trường hợp riêng của khâuhiệu chỉnh sớm trễ pha, có thể xem PID là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên nótối ưu và mang những ưu điểm của cả khâu PI và PD

Khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng quá độ và giảm sai số xác lập

Theo đó, tín hiệu đặt R là tốc độ mong muốn của hệ thống sẽ được mô phỏngbằng khối constant với giá trị góc quay không đổi R=50 Tín hiệu phản hồi về từ động

cơ là góc quay thực tế, khi đó lỗi sẽ đưa vào khâu hiệu chỉnh PID để đạt sai số nhỏnhất

Hình 8 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều.

Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều và hệthống điều khiển động cơ điện một chiều

- Giả sử điện áp đầu vào là 24V ta có bảng thông số của hệ thống:

3 Mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển.

Hình 9 Thông số động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp khi nhập vào 20-SIM.

Thông số cài đặt cho biểu đồ trên phần mềm 20-sim

Đặc tính vận tốc hệ hở của hệ thống:

Hình 10 Vận độ của động cơ kích từ nối tiếp khi chưa có bộ điều khiển

Vận tốc của động cơ tăng theo tỉ lệ phi tuyến đầu vào điện áp Có thể thấy khichưa có bộ điều khiển, và động cơ hoạt động ở chế độ không tải lý tưởng thời gian đápứng vận tốc khá nhanh vì hệ số momen lớn K=2

4 Bộ điều khiển PI.

Hình 11 Biểu đồ bond graphs kết hợp bộ điều khiển PI

Hình 12 4 Đặc tính vận tốc khi kp=1,ki=1

Sau khi thay hệ số kp=100,ki=1

Hình 13 Đặc tính vận tốc khi kp 100, ki = 1;

Với tham số tối ưu chọn được là kp=100, ki =1.

Hình 15 Đặc tính vận tốc khi kp=1;kd=1

Hình 16 Đặc tính vận tốc khi kp=10;kd=10.

Với giá trị kp=10, kd=10 là tối ưu nhất cho bộ điều khiển PD, tuy thời gian đápứng nhanh nhưng độ vọt lố vẫn còn khá lớn, và không tối ưu khi động cơ hoạt độngtrong trời gian dài sẽ bị giảm tốc độ.

6 Bộ điều khiển PID.

6.1 Biểu đồ Bond grab mô tả hệ thống động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Hình 17 Biểu đồ bond graphs kết hợp bộ điều khiển PID

6.2 Đường đặc tuyến vận tốc khi Kp=1, TauD=1, TauI=1

Hình 18 Đặc tính vận tốc khi Kp=1, TauD=1, TauI=1

Với tham số kp=1, ki=1, kd=1

6.3 Điều chỉnh các tham số Kp, TauI, TauD theo phương pháp Ziegler–Nichols.

Hình 19 Đặc tính vận tốc khi kp=0.1;TauI=0.01,TauD=4

Với tham số kp=0.1;TauI=0.01,TauD=4

Hình 20 Thông số cài đặt hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều.

BÀI 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ CƠ.

Chương 1 phân tích vật lý để viết phương trình mô tả tốc độ của hệ cơ

Phân tích hệ vật theo đinh luật II Newton

 Các tham số của hệ thống:

• x1, x2 – quãng đường di chuyển tương ứng của M1, M2

• F – Lực tác động vào M1 từ hệ thống điều khiển

• Fk – lực đàn hồi của lò xo

– Mô tả các chuyển động của động lực học hai xe M1 và M2, dựa vào định luật của Newton về chuyển động Hệ thống cơ khí có hai bậc tự do chuyển động cùa xe M1

và M2 ở trên trục X Phân tích sơ đồ của hệ thống, ta có được sơ đồ lực tác động vào

Chương 2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của tốc

độ của hệ cơ và hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ sử dụng phần mềm 20-sim

1 Mô phỏng thống hở

Hình 21 Biểu đồ Bond graph hệ thống hở

Hình 22 Đồ thị vận tốc, vị trí của hệ cơ

Hình 23 Thông số của hệ thống hở.