BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

TỔNG QUAN

Giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ

Trong ngành công nghiệp hiện đại, lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là điều khiển chính xác trở thành yếu tố không thể thiếu Các thiết bị máy móc, thiết bị dân dụng và trong công nghiệp đều sử dụng động cơ điện như máy CNC, cánh tay robot, máy giặt, điều hòa, máy hút bụi và cả trong máy tính, đòi hỏi độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ lâu dài và chu kỳ bảo dưỡng kéo dài Một trong những yếu tố then chốt để đáp ứng các yêu cầu này chính là khả năng điều khiển tốc độ ổn định, phản hồi nhanh chóng và vận hành trơn tru trong quá trình xác lập và thay đổi trạng thái.

Nguyên lí hoạt động của hệ thống

Hệ thống bao gồm: cảm biến tốc độ, một bộ điều khiển trung tâm

Cảm biến tốc độ đo được tốc độ hiện tại của hệ thống, giúp bộ điều khiển trung tâm xác định chính xác trạng thái vận hành Khi muốn điều chỉnh tốc độ, bộ điều khiển sẽ tính toán và điều chỉnh để đạt được tốc độ mong muốn, bằng cách tác động vào bộ vận hành (motor) Quá trình này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, chính xác theo yêu cầu Nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống tự động.

Giới thiệu chung bộ điều khiển(vi xử lý)

PID là viết tắt của Proportional Integral Derivative, là cơ chế phản hồi vòng điều khiển phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển vòng kín và các hệ thống có tín hiệu phản hồi, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của quá trình điều khiển.

Bộ điều khiển PID giúp máy công nghệ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị mong muốn của người thiết kế hoặc người dùng Thông qua việc điều chỉnh các giá trị điều khiển đầu ra, hệ thống sẽ hoạt động chính xác hơn, giảm thiểu sai số và nâng cao hiệu quả vận hành Để đạt hiệu quả tối đa, các thông số của PID cần được tùy chỉnh dựa trên đặc tính của hệ thống và điều kiện hoạt động cụ thể Trong cùng một dạng điều khiển, việc tính toán và điều chỉnh các đặc thù của hệ thống sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của bộ điều khiển PID.

Giới thiệu chung về cảm biến đo vận tốc

Trong cuộc sống hàng ngày, các cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau như cảm biến hồng ngoại dùng để điều khiển TV từ xa, cảm biến hồng ngoại thụ động để tự động mở cửa ở trung tâm mua sắm, cảm biến LDR để điều chỉnh hệ thống chiếu sáng ngoài trời, và cảm biến tốc độ đo quay động cơ giúp kiểm soát tốc độ của các thiết bị Những loại cảm biến này giúp nâng cao tiện ích, tự động hóa và hiệu quả hoạt động trong đời sống sinh hoạt và công nghiệp.

Hình 1.1 Cảm biến đo vận tốc

Liên hệ thực tế

Tủ lạnh được trang bị bộ điều khiển trung tâm giúp kiểm soát chính xác nhiệt độ, đảm bảo thực phẩm luôn được bảo quản trong điều kiện lý tưởng Hệ thống này còn điều chỉnh tốc độ quạt gió, thời gian hoạt động của quạt cũng như thời gian xả tuyết tự động trong các khoang tủ lạnh, mang lại hiệu quả vận hành tối ưu và tiết kiệm điện năng.

Máy CNC là máy rất cần thiết và phổ biến trong công nghiệp ngày nay

Máy CNC từ đơn giản là đồ mộc cho đến các máy gia công chi tiết máy phức tạp, đều hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển motor bước chính xác Công nghệ này giúp xác định vị trí cần gia công một cách chính xác nhất nhờ việc điều chỉnh tốc độ và vòng quay của motor bước, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác cao trong quá trình gia công.

• Robot trong sân chơi Robocon

Các robot được lập trình để điều khiển vận tốc của từng động cơ một cách hợp lý, giúp tối ưu hiệu suất vận hành và đảm bảo hoạt động hiệu quả cao nhất Điều này đặc biệt quan trọng trong việc đưa robot đến vị trí chính xác và nhanh chóng, nâng cao hiệu quả công việc và giảm thiểu thời gian hoạt động.

• Cần trục trong thi công xây dựng

Cần trục gồm ba cơ cấu chính liên quan đến điều kiện vận tốc của motor để đảm bảo hoạt động hiệu quả Phần tời nâng hạ vật liệu cho phép nâng hoặc hạ vật nhanh chậm theo ý muốn của công nhân, giúp tăng hiệu suất làm việc Cần nâng giúp vận chuyển vật liệu từ cầu trục lại gần hoặc ra xa một cách linh hoạt, nâng cao khả năng vận chuyển Trục quay gắn giữ tháp và cần nâng có thể điều chỉnh được tốc độ quay, từ đó tối ưu hóa quá trình vận hành của cần trục.

Trong các ngành công nghiệp nặng hiện nay như sản xuất ô tô, đóng tàu và các công việc nguy hiểm như hàn, cắt, dây chuyền tự động hóa ngày càng trở nên quan trọng, trong đó cánh tay robot đóng vai trò thiết yếu Robot giúp thực hiện chính xác công việc lắp ráp các linh kiện và xử lý các nhiệm vụ một cách trơn tru, nhờ khả năng điều khiển vận tốc và vị trí động cơ tại các khớp của robot một cách chính xác và hiệu quả.

Hình 1.7 Robot lắp ráp ô tô

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MÔ TA HỆ THỐNG CƠ

PHƯƠNG TRÌNH MÔ TA HỆ THỐNG CƠ

Hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ gồm hai xe liên kết bằng lò xo, trong đó M1 và M2 lần lượt đại diện cho khối lượng của từng xe Hệ thống được mô phỏng theo hình 1, bỏ qua ma sát giữa bánh xe và mặt đường để tập trung vào các yếu tố chính ảnh hưởng đến điều khiển tốc độ Các thông số của hệ thống như khối lượng các xe và đặc tính của lò xo đóng vai trò quan trọng trong phân tích và thiết kế hệ điều khiển.

Hình 2.1 Cơ cấu hệ thống

–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

– 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 xe như sau

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe M1.

– Áp dụng công thức Euler – Lagrange : Động năng: T = 1

=> Phương trình Lagrange với tọa độ suy rộng x1 : d dt( ∂L

=> Phương trình Lagrange với tọa độ suy rộng x2 :

• Phân tích toán học : Đặt : X 1 (t) = x 1 𝑋1̇(t) = 𝑥1̇ = X2 (t)

– Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc (𝑋̅ , 𝑢̅ ) = ( 0 , 0 )

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ QUAN HỆ NHÂN QUẢ CỦA BIỂU ĐỒ BOND GRAPH

Trong bài toán này, biểu đồ Bond Graph thể hiện rõ mối liên hệ giữa các điểm thay đổi vận tốc của xe M1 và M2 Cụ thể, có hai điểm thay đổi vận tốc tương ứng với hai trạng thái khác nhau của các xe này, và mỗi điểm đều có thể xem là một one-junction để xác định cụ thể các vị trí thay đổi vận tốc Nhờ đó, biểu đồ Bond Graph giúp làm rõ quá trình truyền năng lượng và mối quan hệ nhân quả giữa các yếu tố trong hệ thống.

− Xe M1 và M2 được nối với nhau bởi lò xo K

− 2 xe M1 và M2 có khối lượng bằng nhau và bằng 1

− Lực F tác động vào xe M1 và tác động lên xe M2 di chuyển

− Xây dựng bond graph cho hệ thống:

Bước 1: Tại mỗi vị trí có vận tốc khác nhau, ta đặt Junction 1

Bước 2: Chèn mỗi phần tử một cổng bằng cách kết nối nó với Junction 0 bằng các đường liên kết và chèn vào giữa các Junction 0 có liên quan

Hình 3.2 Xây dựng bond graph bước 2 v1 v2

Hình 3.1 Xây dựng bond graph bước 1

Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

Bước 4: Tại các vị trí có vận tốc bằng không đã được xác định thì xóa bỏ các Junction 1 và các đường liên kết với nó

Hình 3.4Xây dựng bond graph bước 4 v1 v2 v1 v2

Hình 3.3Xây dựng bond graph bước 3

Bước 5: Tối giản sơ đồ theo nguyên tắc và thêm quan hệ nhân quả

Hình 3.5 Xây dựng bond graph bước 5

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM 20-SIM

Mô phỏng và đánh giá hệ thống hở

- Thông số của hệ thống hở:

Hình 4.1 Cơ cấu hệ thống

Hình 4.2 Mô phỏng hệ thống hở trên phần mềm 20-Sim

Hình 4.3 Thông số cơ bản của hệ thống hở

- Đặc tính dao động của M2:

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Hình 4.4 Đồ thị mô tả sự dao động vận tốc của M2 khi hệ thống hở

Mô phỏng và đánh giá hệ thống kín gồm hệ cơ và bộ điều khiển PID

4.2.1 Bộ điều khiển PID a, Tổng quan về bộ điều khiển PID

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên dựa trên ba khâu hiệu chỉnh chính của nó: bộ điều chỉnh tỷ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và derivative (Derivative) Ba khâu này hợp lại tạo thành các biến điều khiển (MV), đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều khiển hệ thống PID giúp tối ưu hóa phản hồi của hệ thống bằng cách cân bằng các phần tử này, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác hơn Sơ đồ điều khiển PID là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong tự động hóa công nghiệp.

Khâu tỷ lệ là một phần quan trọng giúp điều chỉnh độ lợi và công năng của hệ thống, nhằm thay đổi giá trị đầu ra phù hợp với giá trị sai số Để đáp ứng yêu cầu về tỷ lệ, người dùng có thể điều chỉnh độ lợi bằng cách nhân sai số với hệ số tỷ lệ Kp, một hằng số điều chỉnh Công thức tính khâu tỷ lệ được xác định dựa trên công thức: (đưa vào công thức cụ thể nếu có) Việc điều chỉnh này giúp hệ thống phản hồi nhanh hơn, chính xác hơn theo yêu cầu của thiết kế.

+ P(out) là thừa số tỉ lệ của đầu ra

+ Kp là hệ số tỉ lệ hay thông số điều chỉnh

+ e là sai số và được tính bằng SP - PV

+ t là thời gian hay chính là khoảng thời gian tức thời

Trong quá trình phân tích hoặc reset, tỷ lệ sai số tỷ lệ thuận với biên độ sai số và khoảng thời gian xảy ra sai số đó Tổng sai số tức thời theo thời gian phản ánh mức độ tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số này sau đó được nhân với độ lợi tích phân (Ki) và cộng thêm tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển Biên độ phân phối trong phần phân tích này phụ thuộc vào độ lợi tích phân Ki, đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát hệ thống chính xác.

Khi đó, thừa số tích phân được tính với công thức như sau:

Trong công thức tính ở trên:

+ I(out) là thừa số tích phân đầu ra

+ Ki là độ lợi tích phân, nó chính là một thông số điều chỉnh

+ t là thời gian hoặc thời gian tức thời

+ 𝜏 là một biến tích phân trung gian

Khâu vi phân giúp xác định tốc độ thay đổi của sai số bằng cách tính độ dốc của sai số theo thời gian, tức là lấy đạo hàm theo thời gian Đạo hàm này sau đó được nhân với độ lợi tỉ lệ Kd để điều chỉnh phản hồi Biên độ phân khối của khâu vi phân được giới hạn bởi độ phân công Kd, đảm bảo tính ổn định trong quá trình điều khiển Công thức tính thừa số vi phân dựa trên các hành vi điều khiển và đặc tính giới hạn của độ phân khối, giúp tối ưu hiệu quả điều chỉnh sai số trong hệ thống.

𝑑𝑡 e(t) Trong công thức trên, các đại lượng được biểu thị như sau:

+ D(out) là thừa số vi phân của đầu ra

+ Kd là độ lợi vi phân, nó chính là một thông số điều chỉnh

+ t là thời gian hoặc thời gian tức thời. b, Ứng dụng của bộ điều khiển PID

PID là bộ điều khiển lý tưởng cho các hệ thống điều khiển quy trình hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp Nó đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các thông số như lưu lượng, nhiệt độ, áp suất một cách chính xác và hiệu quả Với khả năng phản hồi linh hoạt, PID giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và nâng cao năng suất sản xuất trong các ngành công nghiệp ngày nay.

• Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất

• Hạn chế độ dao động

• Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố

4.2.2 Mô phỏng và đánh giá hệ thống kín

Mô phỏng khảo sát vận tốc của xe:

- Các thông số cơ bản

Hình 4.5 Mô phỏng hệ thống kín được điều khiển bởi bộ điều khiển PID trên phần mềm 20-Sim

Hình 4.6 Thông số cơ bản ban đầu của hệ kín

- Khảo sát tốc độ hai vật M1, M2 :

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn tốc độ của vật M2 khi được điều khiển bởi PID

Từ mô phỏng cho thấy tốc độ của vật M2 không ổn định, bất kể điều chỉnh thông số của bộ điều khiển Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, cần kết hợp giảm chấn với lò xo giúp kiểm soát dao động tốt hơn Việc thêm giảm chấn vào hệ thống là giải pháp hiệu quả để duy trì độ ổn định và nâng cao hiệu suất hoạt động.

Sơ đồ BondGraph của hệ thống sau khi thêm giảm chấn:

Hình 4.8 Mô phỏng hệ thống kín dùng thêm giảm chấn trên phần mềm 20-Sim

- Các thông số cơ bản sau khi thêm giảm chấn:

Hình 4.9Thông số của hệ kín khi thêm giảm chấn

- Mô phỏng khảo sát vận tốc của xe sau khi thêm giảm chấn:

Hình 4.10Đồ thị biểu diễn tốc độ của M2 khi thêm giảm chấn và được điều khiển bởi PID

Sau khi lắ thêm giảm chấn và bộ điều khiển PID, hệ thống đã ổn định nhanh chóng và đạt tốc độ mong muốn Trong dự án này, vận tốc của vật M2 đã duy trì ổn định ở mức 10 m/s, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Việc tích hợp các thành phần điều khiển giúp hệ thống vận hành chính xác và đáng tin cậy trong thời gian ngắn.