Bài tập lớn MHHMP nhóm 6

TỎNG QUAN,SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ,MHH BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 20SIM VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU, CON LẮC NGƯỢC

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

BÀI TẬP LỚN

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Đức 2020602514

Nguyễn Đình Đức 2020602463 Đinh Hồng Dương 2020601674

GVHD: TS Phan Đình Hiếu

1

Hà Nội – Năm 2022

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU, CON LẮC NGƯỢC

6 1.1 Tổng quan về động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp 6

1.1.1 Cấu tạo và phân loại của động cơ điện 1 chiều 6

1.1.1.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 6

1.1.1.2 Phân loại động cơ điện một chiều 7

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều 7

1.1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều 8

1.1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm Rp 9

1.1.3.4 Phương pháp thay đổi từ thông 9

1.1.3.5 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 10

1.1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 12

1.1.4.1 Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp 12

1.1.4.2 Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều kich nối tiếp 12

1.1.5 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 12

1.2 Tổng quan bộ điều khiển tốc độ hệ cơ 13

1.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển tốc độ 13

1.2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển tốc độ động cơ 1 pha 14

1.2.3 Ứng dụng của bộ điều khiển PID 15

1.3 Tổng quan về con lắc ngược 17

1.3.1 Con lắc ngược là gì? 17

1.3.2 Ứng dụng con lắc ngược 18

1.3.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 19

CHƯƠNG 2 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, TỐC ĐỘ HỆ CƠ VÀ CON LẮC NGƯỢC 20

2.1 Phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 20

2.1.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 20

2.1.2 Phương trình mô tả động cơ điện một chiều 21

2.2 Phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả tốc độ hệ cơ 22

2.3 Phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc 24

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, TỐC ĐỘ HỆ CƠ VÀ HỆ CON LẮC NGƯỢC 28

3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Grap điều khiển động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 28

3.1.1 Hàm truyền, phương trình trạng thái và sơ đồ khối hệ thống 28

3.1.1.1 Xây dựng hàm truyền và phương trình trạng thái 28

3.1.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 30

3.1.1.3 Sơ đồ bond graph 31

3.1.2 Xây dựng bộ điều khiển hệ thống 34

3.2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 35

3.2.1 Xây dựng biểu đồ hệ thống hở của hệ cơ 35

3.2.2 Xây dựng hệ thống kín gồm hệ cơ và bộ điều khiển PID 37

3.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ con lắc ngược 37

3.3.1 Xây dựng Bond Graph cho con lắc 37

3.3.2 Xây dựng Bond Graph cho động cơ 40

3.3.3 Thiết lập Bond graph cho xe và con lắc 43

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI

TIẾP, TỐC ĐỘ HỆ CƠ VÀ HỆ CON LẮC NGƯỢC 48

4.1 Mô phỏng và đánh giá động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp 48

4.1.1 Quá trình mô phỏng trên phần mềm 20-Sim 48

4.1.2 Quá trình mô phỏng hệ thống động cơ DC kích từ nối tiếp 49

4.2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính của tốc độ hệ cơ và hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ 56

4.2.1 Mô phỏng đánh giá hệ thống hở hệ cơ 56

4.2.2 Mô phỏng đánh giá hệ kín gồm hệ cơ và bộ điều khiển PID 57

4.2.3 Mô phỏng và đánh giá hệ thống ổn định với giảm chấn 59

4.3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH 60

4.3.1 Phản hồi vòng hở của hệ thống 60

4.3.2 Xác định các tham số bộ điều khiển cho hệ thống 61

KẾT LUẬN 64

DANH MỤC THAM KHẢO 64

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Cấu tạo động cơ điện 1 chiều DC 6

Hình 1-2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều 7

Hình 1-3: Bộ điều khiển tốc độ 13

Hình 1-4: Một số ứng dụng của bộ điều chỉnh tốc độ hệ cơ 16

Hình 1-5 Ứng dụng trong nghiên cứu trong đại học 18

Hình 1-6 Xe 2 bánh tự cân bằng 18

Hình 3-1 Mạch động cơ điện 1 chiều 31

Hình 3-2 Biểu đồ các phần tử cơ khí 32

Hình 3-3 Kết nối phần điện và phần cơ khí 33

Hình 3-4 Mô phỏng ảnh hưởng của hệ số Momen với trục động cơ 33

Hình 3-5 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều 34

Hình 3-6: Sơ đồ Bond Graph hệ hở rút gọn thêm flow 36

Hình 3-7: Sơ đồ BG hệ kín với bộ điều khiển PID 37

Hình 3-8: Sơ đồ Bond Graph hệ hở của con lắc 38

Hình 3-9: Biểu đồ Bond Graph gán nhân quả của con lắc 39

Hình 3-10: Sơ đồ động cơ 40

Hình 3-11 Bond graph rút gọn và gán effort, flow 42

Hình 3-12 Các vị trí vận tốc của xe 44

Hình 3-13 Trọng tâm và điểm gắn 44

Hình 3-14 Bond graph cho xe và con lắc 46

Hình 3-15 Bond graph rút gọn và thêm effort, flow 46

Hình 4-1 Biểu đồ bond graphs hệ hở của động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp 50

Hình 4-2 Vận tốc của động cơ kích từ nối tiếp 51

Hình 4-3 Biểu đồ bond graphs kết hợp bộ điều khiển PI 51

Hình 4-4 Đặc tính vận tốc khi kp=1;ki=1 52

Hình 4-5 Đặc tính vận tốc khi kp 2;ki=2.5 52

Hình 4-6 Biểu đồ bond graphs kết hợp bộ điều khiển PD 53

Hình 4-7 Đặc tính vận tốc khi kp=1;ki=1 53

Hình 4-8 Đặc tính vận tốc khi kp=2.9;kd=30 54

Hình 4-9 Với tham số kp=1, ki=1, kd=1 54

Hình 4-10 Đặc tính vận tốc khi kp=1;ki=1,kd=200 55

Hình 4-11 Thông số cài đặt hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều 55

Hình 4-12: Đặc tính tốc độ V2 của hệ hở 56

Hình 4-13: Mô phỏng hệ kín với bộ điều khiển PID 57

Hình 4-14: Mô phỏng hệ cơ với giảm chấn 59

Hình 4-15: Đồ thị biển diễn tốc độ của M2 khi được điều khiển bởi PID so với vận tốc đặt ra với Kp=10 và có thêm giảm chấn 59

Hình 4-16: Hệ thống vòng hở của con lắc ngược 60

Hình 4-17 Hệ kín với bộ điều khiển PID của con lắc ngược 62

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tác động của mỗi bộ điều khiển KP, KI, KD 15

Bảng 4.1 Thông số cần nhập vào sơ đồ 49

Bảng 4.2 Tác động các khâu của bộ PID 61

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

NAM CHÂM VĨNH CỬU, CON LẮC NGƯỢC

1.1 Tổng quan về động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ đượcđiều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơchạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp vớiphần ứng

1.1.1 Cấu tạo và phân loại của động cơ điện 1 chiều

1.1.1.1 Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện 1 chiều được cấu tạo bởi Stator, Rotor, chổi than và cổ góp

- Stator của motor DC: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiềucặp nam châm vĩnh cửu, có thể là nam châm điện

- Rotor: Là phần quay được, nó chính là lõi được quấn các cuộn dây nhằm mụcđích tạo thành nam châm điện

- Chổi than (còn được gọi là brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho

bộ phận cổ góp

- Cổ góp (còn được gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chia điệnđều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay)

1.1.1.2 Phân loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người

ta phân loại theo cách kích từ các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện mộtchiều thường sử dụng:

Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cungcấp từ hai nguồn riêng rẽ

- Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc songsong với phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếpvới phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, mộtcuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kết cấu cực từ

- Động cơ điện một chiều cục từ là nam chạm điện

- Động cơ điện một chiều cực từ là nam cham vĩnh cửu

Hình 1-1: Cấu tạo động cơ điện 1 chiều DC

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm

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 cảmứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ramột điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) Hoặc sức điện động đốikháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ

Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụngnhư một máy phát điện Như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ Và kéotrục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài)

Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần Sức phản điện động, vàđiện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng Dòng điện chạy quađộng cơ được tính theo biểu thức sau:

I = (V nguồn − V phandiendong ) / Rphanung

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

P = I * V PhanDienDong

1.1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn

so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễdàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượngđiều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Hình 1-2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều

là đường đặc tính tự nhiên của động cơ ban đầu.

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng dothêm R, nên tổn hao tăng, không kinh tế

1.1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông

Nguyên lý điều khiển:

Giả thiết U=Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòngđiện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biển trở vàomạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường khi động cơ làmviệc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (ϕ=ϕ max) mà phương pháp này chỉ chophép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từthông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Nên khi giảm từ thôngthì tốc độ không tại lý tưởng ω0=U dm

Kϕϕ tăng, còn độ cứng đặc tính cơ β=¿ ¿ giảm, ta thuđược họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ cảng tăng,tốc độ động cơ càng lớn

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh D 3 : 1

- Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau

và do đó, với tải không lớn (M1) thị tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ở vùng tải lớn(M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng

ở vùng tải không quá lớn so với định mức

- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích

từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnh thấp

1.1.3.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Phương trình đặc tính cơ tổng quát:

U dkcủa hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để Khi thay đổi

U ư thì ω0 thay đổi còn ∆ ω =const, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnhsong song với nhau Nhưng muốn thay đổi U ư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổiđược điện áp ra, thường dùng các bộ nguồn biến đôi như máy phát điện một chiều kích

từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thayđổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:

- Điện áp phản ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau

Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dài điều chỉnh Do vậy,

sai so tốc độ tương đổi (sai so tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai sốcho phép cho toàn dải điều chỉnh.

- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể D ~ 10 : 1

- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤

và không bị tổn hao

1.1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

1.1.4.1 Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

+ Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó

sẽ kéo được tải nặng khi khởi động

+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

+ Tiết kiệm điện năng

+ Bền bỉ tuổi thọ lớn

1.1.4.1 Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều kich nối tiếp

+ Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quátrình vận hành nên cần bảo dưỡng sửa chữa cẩn thận, thường xuyên

+ Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm nhất làtrong điều kiện môi trường dễ chảy nổ

+ Giá thành đất mà công suất không cao

1.1.5 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt vận hành máy móc, cũng như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cáchnhanh chóng hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể

Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thaythể dần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ loại động cơ này không chỉ hoạtđộng bên bị ,linh hoạt ,có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bịkhác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng củaloại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp cũng rất đa dạng trong mọilĩnh vực của đời sống trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM ,ổ đĩa DC ,máy inphoto đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc

độ quay liên tục trong phạm vi lớn

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong cácmáy vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,

1.2 Tổng quan bộ điều khiển tốc độ hệ cơ

1.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển tốc độ

Hệ thống điều khiển tốc độ bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh cáctham số và công nghệ Ngoài ra còn các thiết bị đóng cắt đáp ứng cho công nghệ vàngười vận hành Đồng thời có một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối và các thiết

bị mạch tự động khác trong cả một dây chuyền sản xuất

Tùy theo tính chất điều khiển mà bộ điều khiển tốc độ được phân ra:

- Điều khiển bằng tay (trực tiếp) từ người vận hành

Phương pháp này việc điều khiển này hoàn toàn do người vận hành tự đặt cácthông số như tốc độ, thời gian và phương pháp mà hệ truyền động có thể đáp ứng.Thông qua các khí cụ đóng cắt và các các cơ cấu điều khiển như các rơle, công tắctơ,nút ấn …

- Phương pháp điều khiển bán tự động

Đó là các hệ truyền động kín có sự hỗ trợ của các hệ thống điều khiển

- Phương pháp điều khiển tự động.

Hệ thống thực hiện việc điều chỉnh các tốc độ theo yêu cầu công nghệ với 1chương trình đã được định sẵn  

1.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển tốc độ động cơ 1 pha

Một trong những vấn đề từng làm đau đầu tổ lập trình robot trong những nămqua là robot chạy không ổn định, vừa mới lập trình chạy được khi chạy thêm một vòngnữa thì lại bị lỗi, khi Pin đầy robot chạy tốt, pin yếu một chút thì lại chạy sai Việcdừng tại một vị trí chính xác nào đấy trên sân cũng rất quan trọng, tuy nhiên robot lạikhi thì dừng chỗ này, lúc lại dừng dừng chỗ kia

Sau nhiều nghiên cứu một giải pháp đã được tìm ra, đó là bộ điều khiển động

cơ dùng giải thuật PID Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điềukhiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thốngtrong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC

và DC Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như vậy là vì tínhđơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế

Cấu trúc chung của hệ thống vòng kín như sau:

Trong hình vẽ trên:

- Plant: là hệ thống cần được điều khiển

Hình 1-3: Bộ điều khiển tốc độ

- Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, được thiết kế đểđiều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống.

Biến số (e) đại diện cho sai số giữa giá trị mong muốn (R) và giá trị ngõ ra (Y).Sai số này (e) sẽ được đưa đến bộ điều khiển PID, và bộ điều khiển này sẽ tính toán cả

vi phân và tích phân của tín hiệu sai số này

Tín hiệu (u) sẽ được đưa đến đối tượng điều khiển và ta sẽ thu được một tínhiệu (Y) mới Tín hiệu này sẽ lại được đưa đến cảm biến để tính toán ra sai số mới (e)

Bộ điều khiển lại tính toán các giá trị vi phân, tích phân của sai số này Quá trình cứthế lặp đi lặp lại

Đặc tính của bộ điều khiển P, I và D: Bộ điều khiển tỷ lệ (KP) có tác dụng làmgiảm thời gian lên và sẽ làm giảm, nhưng không triệt tiêu, sai số ở trạng thái xác lập(steady- state error)

Bộ điều khiển tích phân (KI) sẽ triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng lại cóthể làm giảm chất lượng của đáp ứng quá độ

Bộ điều khiển vi phân (KD) sẽ làm tăng độ ổn định của hệ thống, giảm độ vọt lố

và tăng chất lượng đáp ứng quá độ

Bảng 1.1 Tác động của mỗi bộ điều khiển KP, KI, KD

Thời gian lên Độ lọt vố Thời gian quá độ Sai số xác lập

KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Tăng

KI Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu

KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ

Cần lưu ý rằng trong bộ điều khiển PID, sự các tác động này có thể không chínhxác, vì KP, KI và KD phụ thuộc lẫn nhau Thực ra, thay đổi một trong các thông sốnày có thể làm thay đổi tác động của hai thông số còn lại

Chỉnh định bộ điều khiển PID bằng phương pháp Zeigler – Nichols: Ban đầu, đặttất cả các độ lợi KP, KI, KD bằng 0 Sau đó tăng KP lên cho đến khi đạt được giá trị

độ lợi Ku, là độ lợi mà ở đó ngõ ra của hệ thống bắt đầu dao động với biên độ khôngđổi Ku và chu kỳ dao động Tu được dùng để tính toán các độ lợi KP, KI, KD dựa vàocông thức sau

1.2.2 Ứng dụng của bộ điều khiển PID

Trong các hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt là các hệ thống nhằm ổn địnhchất lượng hệ thống thì người ta thường sử dụng tính năng ưu việt của module điềuchỉnh tỷ lệ - tích phân - vị phân (PID) Các bộ PID này thường được tích hợp săn trongcác thiết bị điều khiển (PLC hay một số thiết bị điều khiển phổ biến khác) Trong bàitoán thiết kế, vận hành hệ thống, sau khi đã tính toán được các thông số và lựa chọnđược bộ điều chỉnh cần thiết người ta thường chỉ phải chọn và thiết đặt các thông sốchính của bộ điều chỉnh ( P, I, D) trong các thiết bị điều chỉnh đề hệ thống thực hiệnchứ không phải làm một " bo mạch PID " kiểu như vi xử lý

Hình 1-4: Một số ứng dụng của bộ điều chỉnh tốc độ hệ cơ

Tuy nhiên, trong hầu hết các tài liệu, giáo trình về điều khiển tự động, người tathường đưa ra các bài toán như : Cho hệ thống, bắt mô hình hóa, phân tích và tìm rahàm truyền của hệ thống, khi đã có hàm truyền rồi ta phải thiết kế bộ điều chỉnh theoyêu cầu ( luật điều chỉnh, cấu trúc, các tham số ).Việc chọn loại bộ điều chỉnh cũngnhư tham số thường dựa vào thành phần các khâu cơ bản lý tưởng như quán tính – tíchphân - vi phân - trễ Các "vật liệu" tạo nên các khâu này như : công tắc tơ, khởi độngtừ hay gặp nhất như khuếch đại thuật toán Các bài toán này giúp sinh viên hiểu bảnchất và nguyên lý bộ điều chỉnh PID mà thôi

Về thiết bị PID có rất nhiều cách chế tạo (trong thiết bị nào đó, PLC, ) Thựcchất là thực hiện 3 phép toán khuếch đại, tích phân, vi phân (tỉ lệ, trễ pha, sớm pha)

theo 1 hệ số nào đó Cách mạch thực hiện 3 phép toán này cũng có rất nhiều cách Vdnhư người ta chế tạo bằng các thuật toán OA, thì người ta làm một cái bo mạch gồm

IC (OA,R,C,biến trở ) rồi đóng hộp, tùy vào nhà thiết kế dùng biến trở hay một sốmạch biến đổi và hiển thị để điều chỉnh các thông số PID

Ngoài ra, bây giờ hệ thống điều khiển số phát triển rất mạnh Ta có bộ điềukhiển PID số, người ta thường dùng phương pháp lập trình để thực hiện các hàm chứcnăng của hệ điều chỉnh

Còn về PID trong PLC , nó chính là bộ điều khiển số, tốc độ xử lý của modulPID phụ thuộc vào CPU ta sử dụng modul mềm PID chỉ thích hợp cho những hệ thông

- Mô hình con lắc ngược là một mô hình kinh điển và là một mô hình phức tạp

có độ phi tuyến cao trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa Để xây dựng và điều khiển

hệ con lắc ngược tự cân bằng đòi hỏi người điều khiển phải có nhiều kiến thức về cơ khí lẫn điều khiển hệ thống Với mô hình này sẽ giúp người điều khiển kiểm chứng được nhiều cơ sở lý thuyết và các thuật toán khác nhau trong điều khiển tự động Hệ thống con lắc ngược đang được nghiên cứu hiện nay gồm một số loại như sau: con lắc ngược đơn, con lắc ngược quay, hệ xe con lắc ngược, con lắc ngược 2, 3 bậc tự do, …

1.2.3 Ứng dụng con lắc ngược.

Con lắc ngược là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: xe hai bánh tự cân bằng, điều khiển cân bằng khi phóng tàu vũ trụ, cân bằng giàn khoan trên biển…Khi lý thuyết về các bộ điều khiển hiện đại ngày càng hoàn thiện hơn thì con lắc ngược là một trong những đối tượng được áp dụng để kiểm tra các lý thuyết đ

Hình 1-5 Ứng dụng trong nghiên cứu trong đại học

Hình 1-6 Xe 2 bánh tự cân bằng

1.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

-Mô hình con lắc ngược hai bậc tự do

Con lắc ngược là loại robot ứng dụng một trong những vấn đề quan trọng trong

lý thuyết điều kiển và được đề cập nhiều trong các tài liệu về điều khiển Mô hình thực

tế con lắc ngược có thể kiểm chứng lại các lý thuyết điều khiển tuy nhiên con lắc ngược cũng đặt ra nhiều thách thức đối với lý thuyết điều khiển cũng như các thiết bị điều khiển chúng Vì vậy, đây là hệ thống phi tuyết nên vấn đề điều khiển con lắc ổn định gặp nhiều khó khăn

- Hệ thống con lắc ngược bao gồm một thanh thẳng quay xung quanh một xechuyển động ngang Hệ thống vốn có hai điểm cân bằng, một sự cân bằng ổn định vàmột không ổn định Ở trạng thái cân bằng ổn định con lắc sẽ hướng xuống phía dưới

và khi không có lực nào tác động đến hệ thống thì hệ thống sẽ mặc nhiên ở trạng tháinày Trong trường hợp cân bằng không ổn định vị trí của con lắc sẽ hướng lên trên và

vì thế cần một lực tác động để duy trì trạng thái này Vì vậy việc điều khiển cơ bản đốivới hệ thống con lắc là làm sao duy trì trạng thái đứng cân bằng hướng lên của con lắc

20

CHƯƠNG 2 SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT

LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP, TỐC ĐỘ HỆ CƠ VÀ

⋅ Điện trở, cuôn cảm phần kích từ ( Field )

⋅ Điện trở, cuộn dây phần ứng ( Armature )

⋅Lõi thép, nguồn

21

2.1.2 Phương trình mô tả động cơ điện một chiều.

Dựa vào mạch điện hình 2.1, phưng trình động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp được mô tả như sau:

2.2 Phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả tốc độ hệ cơ

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ như hình 1 Trong đó: M1 vàM2 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:

–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 luậtcủa 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

23

Fk

Fk F

F

k F

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe M1.

2.3 Phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc

Đặt các đại lượng của hệ như sau:

- 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: 0.1N/m/s

Mô hình hóa hệ thống

25

Thiết lập phương trình toán học quan hệ của con lắc ngược theo phương pháp Euler-Lagrange:

Giả sử khối lượng tập chung ở đầu thanh

Gọi xB, yB là tọa độ đầu thanh Ta có:

Chọn gốc là điểm treo con lắc trên xe

{(m+ M ) ´x +ml ´θ2sinθθ−ml ´θ cosθ=F−b ´x

−ml ´x cosθ+(I +ml2)´θ+mglsinθθ=0

Vì kĩ thuật thiết kế phân tích hệ thống áp dụng cho các hệ thống tuyến tính, chúng tatuyến tính hóa các phương trình về vị trí cân bằng theo phương thẳng đứng vì hệ thốngluôn được cân bằng quanh trục thẳng đứng với một gócθ nhỏ nên ta có :

cosθ ≈1, sinθθ≈ θ và ´θ2≈ 0

Thay vào hệ phương trình ta có:

{(m+ M ) ´x−ml ´θ+b ´x=u (với u là đầu vào F )

28

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP,

TỐC ĐỘ HỆ CƠ VÀ HỆ CON LẮC NGƯỢC

3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Grap điều khiển động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp

3.1.1 Hàm truyền, phương trình trạng thái và sơ đồ khối hệ thống

3.1.1.1 Xây dựng hàm truyền và phương trình trạng thái

Ta có:

V (t)=Ri (t )+L(ctr d i (t))+k0ω (t )i (6)

k0i2( τ )=T l (τ )+bω (r )+ J cl

ctτ ω(t ) (7)Chuyển vế (6) và (7), ta có:

J=

10,006=166,67

Phương trình không gian trạng thái của hệ phi tuyến:

Điểm làm việc tĩnh được biểu diễn bởi

Phương trình trạng thái tại điểm làm việc tĩnh:

´

x= Ax+ Bu y=Cx

Hình 3-7 Mạch động cơ điện 1 chiều

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

Đối với hệ thống điện:

Bước 1: Đặt các Junction 0 tại các vị trí 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:

32

Bước 4: Tối giản hoá sơ đồ:

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

Đối với phần tử cơ khí:

Hình 3-8 Biểu đồ các phần tử cơ khí

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

33