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

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

Giáo viên hướng dẫn : TS Phan Đình Hiếu

Sinh viên thực hiện : MSV:

Hà Nội - 2021

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội,ngày tháng năm 2021 Giáo viên hướng dẫn

ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Giáo viên chấm phản biện

M C Ụ L C Ụ

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 5

1.1.1 Đặc điểm 5

1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều 5

1.1.3 Nguyên lí hoạt động 7

1.2 Các ứng dụng về động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 8

1.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều 8

1.4 Suất điện động phần ứng của máy điện một chiều 9

1.5 Công suất và momen của máy điện một chiều 10

1.5.1 Công suất điện từ 10

1.5 Phương trình vật lí mô tả động cơ điện mộ chiều kích từ nối tiếp 10

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 13

2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho động cơ điện 13

2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 17

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GÓC QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ 18

DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM 18

3.1.2 Đánh giá 19

3.2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều 20

3.2.1 Mô phỏng 20

3.2.2 Đánh giá 23

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

1.1.1 Đặc điểm

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

 Đa phần hoạt động theo nguyên lý điện từ

 Tùy vào cấu tạo động cơ sẽ có nguyên lý hoạt động khác nhau: lực tĩnhđiện hay hiệu ứng điện áp

1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

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

1.1.2.1 Phần cảm (stator)

A, Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm lõi sắt cực từ và dây cuốn kích từlồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện haythép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Dây quấn kích từ được quấn bằngdây đồng bọc cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặttrên các cực từ này được nối tiếp với nhau

Hình 1.1 Cực từ phần cảm

B, Cực từ phụ: Các cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và để cải thiện đổi chiều

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

D, Các bộ phận khác:

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và

an toàn cho người khỏi chạm vào điện

- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than baogồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp

B, Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạyqua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Dây quấnđược cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: thường làm bằng thép cacbon Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi

Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làmchuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặtcủa cuộn dây song song với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động

cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o 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

sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảmứng Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức

phản điện

động 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

sử dụng như một máy phát điện

1.2 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 củađời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặcbiệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quayliên tục trong phạm vi lớn

• Động cơ một chiều được dùng nhiều trong các máy công cụ lớn, yêu cầu tốc

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 nha các bạn

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

1.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

Hình 1.3 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

"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộđiều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiểnđầu vào

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

Hình 1.4 Mạch điện

tốc v trong từ trường đều B tạo ra bởi phần cảm, ta có:

e  B.l.vSức điện động trên toàn bộ dây quấn phần ứng được xác định theo quan hệ sau :

E u= 2a N .e

E u=K e n

Trong đó : N : Tổng số thanh dẫn phần ứng 2a: Số mạch nhánh song song phần ứng P:Số đôi cực

: Từ thông kích từ qua một cực từ

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

1.5 Công suất và momen của máy điện một chiều

1.5.1 Công suất điện từ

Pdt  Eu .Iu

1.5 Phương trình vật lí mô tả động cơ điện mộ chiều kích từ nối tiếp

Hình 1.5 Sơ đồ mạch điện của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Sử dụng định luật kirchhoff 2 cho mạch động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

u(t): điện áp cấp cho mạch điện

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

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho động cơ điện

 Xét phần điện của hệ thống:

Hình 2.1 Mạch điện động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Hình 2.2 Đặt các junction 0 vào các điểm có điện thế khác nhau

Hình 2.7 Kết nối phần điện và phần cơ khí

Vận tốc quay ở phía cơ học chịu ảnh hưởng bởi dòng điện tạo ra do hiện tượngcảm ứng điện từ và hệ số momen của trục động cơ

Hình 2.8 Mô phỏng ảnh hưởng của hệ số Momen với trục động cơ

Sử dụng khối multiplydivide để kết nối phần kích từ với phần tử biến đổi điệnnăng thành cơ năng nên ta có biểu đồ bondgraph cho cả hệ thống Sử dụng khối tíchphân để cho đầu ra là góc quay:

Hình 2.9 Biểu đồ bondgraph hoàn chỉnh

2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp vớitín hiệu đặt là R, 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 củakhâu hiệu chỉnh sớm trễ pha, có thể xem PID là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PDnên nó tối 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 góc quay mong muốn của hệ thống sẽ được môphỏng bằng khống constant với giá trị góc quay khôn 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 đạtsai số nhỏ nhất

Hình 2.10 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GÓC QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ

  518rad  82, 44 vòng

Hình 3.3 Giá trị góc quay tại thời điểm t=10s

3.2 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

3.2.1 Mô phỏng

Ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh đối với hệ thống:

 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ P đến đặc tính của hệ thống:

-Tín hiệu đầu ra trùng pha với tín hiệu đầu vào

-Hệ số Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (luôn tồn tại sai số xác lập).-Tuy nhiên nếu hệ số tỉ lệ càng lớn sẽ làm độ vọt lố càng cao, hệ thống càngkém ổn định

 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PI đến đặc tính của hệ thống:

-Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng quá độ

-Tăng độ vọt lố

-Triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống

 Xét ảnh hưởng của khâu tỉ lệ PD đến đặc tính của hệ thống:

-Khâu hiệu chỉnh PD làm giảm độ vọt lố

-Làm nhanh đáp ứng quá độ của hệ thống

-Tuy nhiên cũng làm cho hệ thống rất nhạy với nhiễu tần số cao

 Với bộ tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=1

Hình 3.4 Đặc tính góc quay khi kp=ki=kd=1

Đánh giá: thời gian quá độ dài, chưa triệt tiêu sai số xác lập, độ vọt lố cao.Giải pháp: tăng hệ số Kd

 Chọn bộ tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=80

Hình 3.5 Đặc tính góc quay khi kp=1;ki=1;kd=80

Đánh giá: Chưa triệt tiêu sai số xác lập, độ vọt lố vẫn còn

Giải pháp: tăng dần hệ số Ki và Kp

Chọn bộ tham số PID: Kp=3; Ki=5; Kd=80

Hình 3.6 Đặc tính góc quay khi kp=3;ki=5;kd=80

Đánh giá:

- Sai số xác lập được cải thiện đáng kể

- Thời gian quá độ nhỏ hơn nhiều so với hệ số trước

- Độ vọt lố rất thấp

Hình 3.7 Thông số cài đặt hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

3.2.2 Đánh giá

Sử dụng bộ điều khiển PID cho hệ thống động cơ điện một chiều khắc phụcđược các yếu tố gây ra mất ổn định cho hệ thống Xét về đặc tính góc quay củađộng cơ điện một chiều kích từ nối tiếp như trên, ban đầu động cơ quay đều với vậntốc không đổi Khi thêm bộ điều khiển PID vào hệ thống đã kiểm soát góc quay củađộng cơ trong một phạm vi của giá trị góc quay mong muốn Tiếp tục hiệu chỉnh hệ

số Kp, Kd, Ki đã làm hệ thống đáp ứng nhanh, chính xác với kết quả thu được saukhi khảo sát đặc tính góc quay trong trường hợp: Kp=3; Ki=5; Kd=80 như sau:

Hình 3.9 Giá trị góc quay xác lập của hệ thống so với giá trị đặt

KẾT LUẬN

Bài tập của môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử về động cơ điệnmột chiều kích từ nối tiếp giúp sinh viên hiểu về cách hoạt động của động cơ điệnmột chiều nói chung và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp nói riêng trên góc

độ phân tích

Khi tìm hiều và giải quyết những vấn đề đặt ra trong yêu cầu của bài tập chúng

em đã xây dựng dược phương trình trạng thái mô tả động cơ điện một chiều kích từnối tiếp, đồng thời thiết kế và xây dựng biểu đồ bond graph bằng phần mềm 20-sim

để mô phỏng cho động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp và hệ thống điều khiển động cơđiện 1 chiều kích từ nối tiếp và có thể áp dụng cho các động cơ khác

Bộ điều khiển PID được sử dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển với tínhiệu cần ổn định là góc quay cảu động cơ Khảo sát sự phụ thuộc của góc quay khiđiện áp phần ứng thay đổi thông qua chọn các tham số của bộ điều khiển PID Biếtcách lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển PID Từ đó nhóm đã tìm ra được bộtham số của bộ điều khiển PID để cho động cơ hoạt động ổn định là:

Kp= 3Kd= 80Ki= 5Cũng cố lại kiển thức môn lí thuyết điều khiển và cơ cấu chấp hành và điềukhiển Đồng thời, tích lũy được những kiến thức quan trọng để phục vụ cho việchọc tập những học phần có liên quan, đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp sau này

Báo cáo đề tài này là sự cố gắng nghiên cứu của 3 thành viên của nhóm emcùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của TS Nguyễn Xuân Thuận qua đó em đã nắm bắtđược cách tổ chức nghiên cứu và nắm bắt được những nội dung quan trọng của đềtài này để viết được một báo cáo đầy đủ và chi tiết Có thể không thể tránh đượcnhững thiếu sót nhỏ, nhóm em kính mong các thầy cô chỉ bảo để nhóm hoàn thiệnhơn và tự tin hơn trong quá trình học tập và làm việc của mình sau này Nhómchúng em xin chân thành cảm ơn

[3] Phạm Thị Thục Anh, Nguyễn Công Hiền, Mô hình hóa hệ thống và

mô phỏng, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2005