Mô hình hóa mô phỏng động cơ đồng bộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ NGÀNH Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa CHUYÊN NGÀNH Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện công nghiệp HỌC PHẦN Mô hình hóa và mô phỏng Giảng viên hướng dẫn Mai Hoàng Công Minh Sinh viên thực hiện Nguyễn Hoàng Anh Mã sinh viên 18810430122 Lớp D13TDHDKTBCN2 HÀ NỘI, 122021 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 2 1 1 Khái niệm chung 2 1 2 Đặc điểm của mô hình hóa hệ thống 3 1 3 Phân loại mô hì.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

Khái niệm chung

Ngày nay, phương pháp tiếp cận hệ thống được ưa chuộng để phân tích và tổng hợp các hệ thống lớn, khác với phương pháp truyền thống phân tích từ phần tử đến hệ thống Phương pháp này bắt đầu từ việc phân tích tổng thể hệ thống, xác định mục tiêu và chức năng của từng phần tử, đồng thời làm rõ mối quan hệ giữa các phần tử trong hệ thống và với môi trường xung quanh Hệ thống (S) được định nghĩa là tập hợp các phần tử có quan hệ với nhau, trong khi môi trường (E) bao gồm các thực thể bên ngoài có tác động đến hệ thống Việc xác định hệ thống S và môi trường E phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu cụ thể.

Khi bắt đầu mô hình hóa, việc xác định mục tiêu là rất quan trọng, từ đó xác định hệ thống S, môi trường E và mô hình M Tiếp theo, cần xác định cấu trúc của hệ thống, bao gồm các phần tử và mối quan hệ giữa chúng.

Cấu trúc của hệ thống được xem xét từ hai phương diện: bên ngoài và bên trong Phương diện bên ngoài tập trung vào các phần tử cấu thành hệ thống và mối quan hệ giữa chúng, được gọi là phương pháp tiếp cận cấu trúc Trong khi đó, phương diện bên trong phân tích đặc tính và chức năng của các phần tử, cho phép hệ thống đạt được các mục tiêu đã định, được gọi là phương pháp tiếp cận chức năng.

Khi phân tích sự vận động của hệ thống theo thời gian S(t), người ta chú trọng đến việc chuyển đổi giữa các trạng thái trong không gian trạng thái Z Để đánh giá chức năng của hệ thống, cần xác định các chỉ tiêu đánh giá, bao gồm chỉ tiêu riêng lẻ và chỉ tiêu tổng hợp cho toàn bộ hệ thống Phương pháp tiếp cận hệ thống cho phép xây dựng mô hình lớn, xem xét nhiều yếu tố tác động bên trong hệ thống S cũng như mối quan hệ giữa S và môi trường E.

Quá trình mô hình hóa được chia thành hai giai đoạn chính: giai đoạn thiết kế tổng thể (Macro Design) và giai đoạn thiết kế cụ thể (Micro Design) Trong giai đoạn thiết kế tổng thể, các mô hình hệ thống và môi trường được xây dựng dựa trên dữ liệu thực tế và các tiêu chí đánh giá đã định trước Ngược lại, trong giai đoạn thiết kế cụ thể, các điều kiện ràng buộc được xác định, từ đó xây dựng các chương trình mô phỏng trên máy tính để phân tích các đặc tính kinh tế kỹ thuật của hệ thống thực.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh 3

Đặc điểm của mô hình hóa hệ thống

Sự phát triển của các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trong nghiên cứu hệ thống ngày càng hoàn thiện, với hai phương pháp chính là nghiên cứu trên hệ thực và nghiên cứu trên mô hình Nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thực cung cấp số liệu khách quan và trung thực, nhưng thường gặp khó khăn trong việc lấy mẫu thống kê, ước lượng tham số và xử lý dữ liệu Do đó, nghiên cứu trên mô hình trở thành một phương pháp triển vọng trong nhiều trường hợp.

Các đối tượng thực có cấu trúc phức tạp và thuộc loại hệ thống lớn, do đó mô hình của chúng cũng được phân loại vào các hệ thống lớn với những đặc điểm cơ bản riêng biệt.

Tùy thuộc vào yêu cầu nghiên cứu, có thể sử dụng mô hình đơn mục tiêu để tập trung vào một nhiệm vụ cụ thể, hoặc mô hình đa mục tiêu để khảo sát nhiều chức năng và đặc tính của đối tượng thực tế.

Độ phức tạp của mô hình được thể hiện qua cấu trúc phân cấp, cùng với các mối quan hệ tương tác giữa các hệ con và giữa hệ thống S với môi trường E.

❖ Hành vi của mô hình

Hành vi của mô hình đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được mục tiêu đề ra, với sự phân loại thành mô hình tiền định hoặc mô hình ngẫu nhiên tùy thuộc vào yếu tố ngẫu nhiên tác động Ngoài ra, hành vi của hệ thống còn được chia thành mô hình liên tục và mô hình gián đoạn Việc nghiên cứu hành vi của mô hình giúp chúng ta hiểu rõ hơn về xu hướng vận động của đối tượng thực.

Tính thích nghi là đặc điểm quan trọng của hệ thống tổ chức cao, cho phép hệ thống điều chỉnh theo những thay đổi từ môi trường Mô hình thích nghi thể hiện khả năng phản ánh tác động của môi trường lên hệ thống và duy trì sự ổn định ngay cả khi có sự thay đổi trong các tác động đó.

Hiện nay, nhiều phương pháp tự động hóa đã được áp dụng trong mô hình hóa hệ thống Thông qua các biện pháp lập trình, người dùng có thể điều khiển hệ thống theo các mục tiêu đã được xác định trước, đồng thời thực hiện khả năng giao tiếp giữa con người và mô hình để thu thập thông tin và đưa ra quyết định điều khiển hiệu quả.

❖ Khả năng phát triển của mô hình

Khi mô hình hóa hệ thống, việc nghiên cứu sự phát triển tương lai của hệ thống là một yếu tố quan trọng Do đó, mô hình cần được thiết kế với khả năng mở rộng để đáp ứng những thay đổi và yêu cầu mới trong tương lai.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh 4 rộng, thu nạp thêm các hệ con, thay đổi cấu trúc để phù hợp với sự phát triển của hệ thống thực

❖ Độ chính xác – Độ tin cậy

Mô hình hóa là quá trình thay thế đối tượng thực bằng mô hình để phục vụ nghiên cứu, yêu cầu mô hình phải phản ánh trung thực các hiện tượng xảy ra Kết quả thực nghiệm trên mô hình cần có độ chính xác và tin cậy cao để đáp ứng yêu cầu Sự thành công của mô hình hóa phụ thuộc vào khả năng và kinh nghiệm của người nghiên cứu, bao gồm việc hiểu rõ đối tượng và các quy luật trong hệ thống thực Đồng thời, người nghiên cứu cũng cần lựa chọn phương pháp mô hình hóa phù hợp và có khả năng lập trình để thực hiện mô hình trên máy tính.

Phân loại mô hình hệ thống

Mô hình có thể được phân loại dựa trên nhiều dấu hiệu khác nhau, với hình 2.1 thể hiện một phương pháp phân loại điển hình Theo cách phân loại này, mô hình được chia thành hai nhóm chính: mô hình vật lý và mô hình toán học, hay còn gọi là mô hình trừu tượng.

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại mô hình

Mô hình vật lý là cấu trúc được tạo thành từ các phần tử vật lý, với các thuộc tính của đối tượng được phản ánh qua các định luật vật lý trong mô hình Chúng được chia thành hai loại: mô hình thu nhỏ và mô hình tương tự Mô hình thu nhỏ có cấu trúc tương tự như đối tượng thực nhưng kích thước nhỏ hơn, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm Ví dụ, lò hơi của nhà máy nhiệt điện được chế tạo với kích thước nhỏ để nghiên cứu quá trình cháy trong lò hơi.

Sinh viên Nguyễn Hoàng Anh đã thực hiện 5 mô hình đập thủy điện nhỏ trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các chế độ thủy văn của đập Mô hình này có ưu điểm là các quá trình vật lý diễn ra tương tự như trong thực tế, cho phép quan sát các đại lượng vật lý một cách trực quan và chính xác Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình vật lý thu nhỏ là chi phí cao, nên chỉ được sử dụng khi thật sự cần thiết.

Mô hình vật lý tương tự được xây dựng từ các phần tử vật lý không giống hệt đối tượng thực, nhưng các quá trình diễn ra trong mô hình lại tương đồng với những quá trình xảy ra trong thực tế.

Có thể sử dụng mô hình mạch dao động R – L – C để nghiên cứu quá trình dao động của con lắc đơn, vì hai quá trình này có sự tương đồng về dao động điều hòa Ngoài ra, đường dây tải điện với thông số phân bố rải cũng có thể được phân tích qua mô hình mạng bốn cực R – L – C với thông số tập trung Mô hình này mang lại ưu điểm về chi phí thấp và cho phép nghiên cứu các đặc tính chính của đối tượng thực một cách hiệu quả.

Mô hình toán học thuộc loại mô hình trừu tượng, trong đó các thuộc tính được thể hiện qua các biểu thức và phương pháp toán học Mô hình này được chia thành hai loại chính: mô hình giải tích và mô hình biến số Mô hình giải tích sử dụng các biểu thức giải tích để xây dựng, mang lại kết quả rõ ràng và tổng quát Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình giải tích là thường phải chấp nhận những giả thiết đơn giản hóa, điều này giới hạn khả năng ứng dụng của nó chủ yếu cho các hệ tiền định và tuyến tính.

Mô hình số được xây dựng bằng các chương trình máy tính, cho phép mô phỏng quá trình hoạt động của đối tượng thực Nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin, mô hình mô phỏng có khả năng diễn tả các yếu tố ngẫu nhiên và tính phi tuyến, giúp nó gần gũi hơn với thực tế Hiện nay, mô hình mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Mô hình có thể được phân loại dựa trên nhiều đặc tính khác nhau, bao gồm mô hình tĩnh và động, mô hình tiền định và ngẫu nhiên, mô hình tuyến tính và phi tuyến Ngoài ra, còn có mô hình có thông số tập trung, mô hình có thông số rải, mô hình liên tục và mô hình gián đoạn.

Mô hình phải đạt được hai tính chất cơ bản sau:

Mô hình phải đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh theo những tiêu chuẩn định trước

Để nghiên cứu đối tượng hiệu quả, mô hình cần phản ánh đầy đủ các yếu tố của đối tượng đó Tuy nhiên, việc thêm quá nhiều yếu tố có thể khiến mô hình trở nên phức tạp và khó sử dụng, làm mất đi tính thực dụng Ngược lại, nếu mô hình quá đơn giản sẽ dẫn đến sai lệch lớn so với thực tế, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả nghiên cứu Do đó, việc lựa chọn giữa tính đồng nhất và tính thực dụng của mô hình cần phải phù hợp với mục đích nghiên cứu cụ thể.

Một số nguyên tắc khi xây dựng mô hình

Việc xây dựng mô hình toán học cần dựa vào các đặc điểm của hệ thống thực tế, do đó, không thể thiết lập những nguyên tắc cứng nhắc, mà chỉ có thể đưa ra các nguyên tắc định hướng để hướng dẫn quá trình xây dựng mô hình.

❖ Nguyên tắc xây dựng sơ đồ khối

Hệ thống thực là một cấu trúc lớn và phức tạp, vì vậy người ta chia nó thành nhiều hệ con, mỗi hệ con đảm nhận những chức năng riêng biệt Mỗi hệ con được biểu diễn dưới dạng khối, trong đó tín hiệu đầu ra của khối này sẽ trở thành tín hiệu đầu vào cho khối tiếp theo.

Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, người ta cần lựa chọn giữa tính đồng nhất và tính thực dụng của mô hình Việc loại bỏ những chi tiết không quan trọng sẽ giúp giảm độ phức tạp của mô hình, từ đó dễ dàng hơn trong việc giải quyết các bài toán liên quan.

❖ Nguyên tắc về độ chính xác

Yêu cầu về độ chính xác trong nghiên cứu phụ thuộc vào mục đích cụ thể Trong giai đoạn thiết kế tổng thể, độ chính xác không cần quá cao, nhưng khi chuyển sang nghiên cứu thiết kế chi tiết các bộ phận cụ thể, mô hình cần đạt được độ chính xác cần thiết để đảm bảo hiệu quả và chất lượng.

Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, các bộ phận của mô hình có thể được phân chia hoặc tổ hợp lại Chẳng hạn, khi mô hình hóa một phân xưởng để nghiên cứu quy trình sản xuất, các máy móc sẽ được coi là thực thể Ngược lại, khi nghiên cứu quá trình điều khiển nhà máy, tổ hợp phân xưởng sẽ được xem như một thực thể của toàn bộ nhà máy.

CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

Khái niệm chung về phương pháp mô phỏng

Khi có mô hình toán học của hệ thống thực, có thể thu thập thông tin qua nhiều phương pháp Đối với mô hình đơn giản, phương pháp giải tích cho lời giải tổng quát, trong khi phương pháp số cung cấp lời giải từng bước với độ chính xác cao khi số bước tính được tăng lên Tuy nhiên, với các hệ thống lớn và phức tạp, phương pháp giải tích không hiệu quả, do đó phương pháp mô phỏng trở thành lựa chọn Phương pháp mô phỏng xây dựng mô hình số thông qua các chương trình máy tính, mô hình hóa cả hệ thống S và môi trường E xung quanh, cùng các mối quan hệ tác động giữa chúng Các "thực nghiệm" trên mô hình số được lặp lại nhiều lần và kết quả được đánh giá theo xác suất, giúp tăng độ chính xác của kết quả.

Phương pháp mô phỏng yêu cầu khối lượng tính toán lớn, điều này chỉ khả thi với sự hỗ trợ của máy tính tốc độ cao Sự phát triển của công nghệ máy tính đã góp phần quan trọng vào việc hoàn thiện các phương pháp mô phỏng.

Bản chất của phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng có thể định nghĩa như sau:

Mô phỏng là quá trình tạo ra mô hình toán học cho một hệ thống thực, sau đó thực hiện các phép tính trên mô hình này nhằm mô tả, giải thích và dự đoán hành vi của hệ thống thực tế.

Mô phỏng cần đạt ba yêu cầu cơ bản: Thứ nhất, cần có một mô hình toán học tốt, đồng nhất với hệ thực và dễ hiểu cho người sử dụng Thứ hai, mô hình phải có khả năng thực nghiệm, tức là có thể thực hiện các chương trình máy tính để thu thập thông tin về hệ thực Cuối cùng, mô hình phải có khả năng dự đoán hành vi của hệ thực, cho phép mô tả sự phát triển của hệ theo thời gian.

Phương pháp mô phỏng, được giới thiệu vào những năm 80 của thế kỷ 20, đã trải qua quá trình nghiên cứu và hoàn thiện liên tục Hiện nay, phương pháp này đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội, kinh tế và y tế.

Sau đây trình bày một số lĩnh vực mà phương pháp mô phỏng đã được ứng dụng và phát huy ưu thế của mình

- Phân tích và thiết kế hệ thống sản xuất, lập kế hoạch sản xuất

- Đánh giá phần cứng, phần mềm của hệ thống máy tính

- Quản lý và xác định chính sách dự trữ mua sắm vật tư của hệ thống kho vật tư, nguyên liệu

- Phân tích và đánh giá hệ thống phòng thủ quân sự, xác định chiến lược phòng thủ, tấn công

- Phân tích và thiết kế các hệ thống thông tin liên lạc, đánh giá khả năng làm việc của mạng thông tin

- Phân tích và thiết kế hệ thống giao thông như đường sắt, đường bộ, hàng không, cảng biển

- Đánh giá, phân tích và thiết kế các cơ sở dịch vụ như bệnh viện, bưu điện, nhà hàng, siêu thị

- Phân tích hệ thống kinh tế, tài chính

Phương pháp mô phỏng được ứng dụng vào giai đoạn khác nhau của việc nghiên cứu, thiết kế và vận hành các hệ thống như sau:

Phương pháp mô phỏng là công cụ quan trọng trong giai đoạn nghiên cứu và khảo sát hệ thống, giúp xác định độ nhạy của hệ thống trước khi thiết kế Việc này cho phép đánh giá tác động của sự thay đổi cấu trúc và các tham số của hệ thống, từ đó tối ưu hóa quy trình thiết kế.

Phương pháp mô phỏng được sử dụng trong giai đoạn thiết kế hệ thống nhằm phân tích và tổng hợp các phương án thiết kế Qua đó, giúp lựa chọn cấu trúc hệ thống phù hợp với các chỉ tiêu đã được xác định trước.

Phương pháp mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn vận hành hệ thống, giúp đánh giá khả năng hoạt động hiệu quả, tối ưu hóa quy trình vận hành và chẩn đoán các trạng thái đặc biệt của hệ thống.

Hình 2.1 Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng

Hình 2.1 trình bày quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng và quan hệ giữa hệ thống thực và kết quả mô phỏng

Để nghiên cứu hệ thống thực, cần tiến hành mô hình hóa bằng cách xây dựng mô hình mô phỏng Sau khi có mô hình, các thực nghiệm sẽ được thực hiện để thu thập kết quả mô phỏng Kết quả này thường mang tính trừu tượng và cần được xử lý để rút ra thông tin kết luận về hệ thống thực Cuối cùng, các thông tin và kết luận này sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh hệ thực theo mục đích nghiên cứu đã đề ra.

Các bước nghiên cứu mô phỏng

Hình 2.2 Các bước nghiên cứu mô phỏng

Khi tiến hành nghiên cứu mô phỏng thông thường phải thực hiện qua 10 bước như được biểu diễn bởi lưu đồ như hình 2.2

Để bắt đầu quá trình nghiên cứu mô phỏng, bước đầu tiên là xác định rõ ràng mục tiêu và kết quả mong muốn Mục tiêu này cần được thể hiện thông qua các tiêu chí đánh giá cụ thể và một hệ thống câu hỏi mà nghiên cứu sẽ trả lời.

Bước 2: Thu thập dữ liệu và xác định mô hình nguyên lý

Tùy thuộc vào mục tiêu mô phỏng, việc thu thập thông tin và dữ liệu liên quan đến hệ thống S và môi trường E là rất quan trọng Dựa trên những dữ liệu này, mô hình nguyên lý Mnl được xây dựng, phản ánh bản chất của hệ thống S một cách chính xác.

Bước 3: Hợp thực hóa mô hình nguyên lý M nl

Hợp thức hóa mô hình nguyên lý là kiểm tra tính đúng đắn, hợp lý của mô hình

Mô hình nguyên lý cần phản ánh chính xác bản chất của hệ thống S và môi trường E, đồng thời phải đảm bảo tính tiện dụng, không quá phức tạp hay cồng kềnh.

Mnl không đạt phải thu nhập thêm thông tin, dữ liệu để tiến hành xây dựng lại mô hình

Bước 4: Xây dựng mô hình mô phỏng M mp trên máy tính

Mô hình mô phỏng Mmp là các chương trình máy tính được phát triển bằng những ngôn ngữ lập trình phổ biến như FORTRAN, PASCAL, C++, cũng như các ngôn ngữ chuyên dụng cho mô phỏng như GPSS, SIMSCRIPT, và SIMPLE++.

Sau khi cài đặt chương trình, cần tiến hành chạy thử để kiểm tra xem mô hình mô phỏng có phản ánh chính xác các đặc tính của hệ thống S và môi trường E hay không Đồng thời, giai đoạn này cũng là thời điểm để sửa chữa các lỗi lập trình phát sinh.

Bước 6: Kiểm chứng mô hình

Sau khi thực hiện thử nghiệm, người ta có thể xác minh và đánh giá tính hiệu quả của mô hình mô phỏng Nếu mô hình không đáp ứng yêu cầu, cần quay lại bước 2 để điều chỉnh và cải thiện.

Bước 7 trong quy trình là lập kế hoạch thử nghiệm, trong đó cần xác định số lần thử nghiệm và thời gian mô phỏng cho từng bộ phận hoặc toàn bộ mô hình Dựa trên kết quả mô phỏng ở bước 9, kế hoạch thử nghiệm sẽ được điều chỉnh để đảm bảo đạt được độ chính xác theo yêu cầu.

Bước 8: Thử nghiệm mô phỏng

Cho chương trình chạy thử nghiệm theo kế hoạch đã được lập ở bước 7 Đây là bước thực hiện việc mô phỏng, các kết quả lấy ra từ bước này

Bước 9: Xử lý kết quả

Thử nghiệm mô phỏng thường sử dụng nhiều dữ liệu thống kê xác suất Để đạt được kết quả cuối cùng với độ chính xác mong muốn, việc xử lý các kết quả trung gian là cần thiết Bước xử lý kết quả đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ quá trình mô phỏng.

Bước 10: Sử dụng và lưu trữ kết quả

Sử dụng kết quả mô phỏng vào mục đích đã định và lưu giữ dưới dạng các tài liệu để có thể sử dụng nhiều lần.

Ưu, nhược điểm của phương pháp mô phỏng

Như đã trình bày ở trên, phương pháp mô phỏng ngày càng được ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu, phân tích và tổng hợp các hệ phức tạp

Phương pháp mô phỏng có các ưu điểm sau đây:

Nghiên cứu các hệ thống phức tạp với các yếu tố ngẫu nhiên và phi tuyến là một thách thức lớn, vì trong trường hợp này, phương pháp giải tích thường không hiệu quả.

Có thể đánh giá các đặc tính của hệ thống làm việc ngay cả khi hệ thống chưa được xây dựng, trong giai đoạn khảo sát hoặc thiết kế Điều này giúp dự đoán hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống trong các điều kiện dự kiến.

- Có thể so sánh, đánh giá, các phương án khác nhau của hệ thống

- Có thể nghiên cứu các giải pháp điều khiển hệ thống

- Có thể nghiên cứu trong một khoảng thời gian ngắn đối với hệ thống có thời gian hoạt động dài như hệ thống kinh tế, hệ thống xã hội

Các nhược điểm của phương pháp mô phỏng:

- Phương pháp đòi hỏi công cụ mô phỏng đắt tiền như máy tính, phần mềm chuyên dụng

Phương pháp mô phỏng tạo ra một lượng lớn dữ liệu thống kê xác suất, do đó cần có các chuyên gia phân tích dữ liệu có kỹ năng để xử lý các kết quả này.

Khi lựa chọn phương pháp mô phỏng để nghiên cứu hệ thống, cần phân tích kỹ lưỡng các ưu điểm, nhược điểm và điều kiện cần thiết để áp dụng phương pháp này Đồng thời, việc so sánh với phương pháp giải tích cũng rất quan trọng nếu có thể thực hiện.

So sánh giữa phương pháp mô phỏng và phương pháp giải tích

Hình 2.3 So sánh giữa hai phương pháp giải tích và mô phỏng

Khi cho một mô hình toán học, có thể dùng phương pháp giải tích hoặc phương pháp mô phỏng để thu được lời giải (thông tin) về mô hình

Hình 2.3 trình bày các điểm khác biệt cơ bản giữa phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng

Phương pháp giải tích cung cấp một lời giải tổng quát và chính xác, dựa trên giả thiết rằng các thông số của mô hình không thay đổi trong suốt quá trình khảo sát.

Phương pháp mô phỏng cung cấp lời giải cho từng bước tính, với mỗi bước tương ứng với một điều kiện cụ thể của mô hình Để đạt được kết quả chính xác, cần tăng số bước tính lên mức tối đa, theo lý thuyết là vô cùng lớn Tuy nhiên, các lời giải thu được chỉ ở dạng các "đánh giá" dựa trên xác suất.

Nếu mô hình chứa các yếu tố ngẫu nhiên, phương pháp giải tích sẽ không khả thi Trong những trường hợp này, phương pháp mô phỏng trở thành giải pháp duy nhất để nghiên cứu các mô hình ngẫu nhiên.

Các phương pháp mô phỏng

Hệ thống được phân loại thành hệ thống liên tục và hệ thống gián đoạn dựa trên trạng thái thay đổi của chúng theo thời gian Khi mô hình hóa hệ thống, có thể lựa chọn giữa mô hình liên tục hoặc gián đoạn, và không nhất thiết phải tương đương giữa loại hệ thống và loại mô hình Việc phân biệt này trở nên quan trọng trong quá trình mô phỏng, đặc biệt là khi lập trình trên máy tính, do kỹ thuật tính toán cho từng loại mô hình khác nhau Do đó, có hai phương pháp mô phỏng chính là mô phỏng liên tục và mô phỏng gián đoạn.

❖ Phương pháp mô phỏng liên tục (Continuous Simulation)

Hệ liên tục thường được mô tả bằng các phương trình vi phân Khi phương trình vi phân đơn giản, có thể áp dụng phương pháp giải tích để tìm lời giải tổng quát dựa trên giá trị của biến trạng thái tại thời điểm t = 0 Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, phương pháp giải tích không khả thi, buộc phải sử dụng phương pháp số như tích phân Runge – Kutta để tìm lời giải đặc biệt cho biến trạng thái tại t = 0.

❖ Phương pháp mô phỏng gián đoạn

Phương pháp mô phỏng sự kiện gián đoạn (Discrete Event Simulation) thường được áp dụng cho các hệ thống gián đoạn, nơi mà các sự kiện xảy ra tại những thời điểm cụ thể và tác động đến trạng thái của hệ thống.

Ngoài hai phương pháp mô phỏng chính kể trên còn có nhiều phương pháp mô phỏng khác như:

- Phương pháp mô phỏng hỗn hợp liên tục – gián đoạn (Combined Discrete – Continuous Simulation)

- Phương pháp Monte – Carlo (Monte – Carlo Simulation)

Các phương pháp mô phỏng này được coi là những trường hợp riêng của hai phương pháp mô phỏng chính nêu trên

MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG MATLAB-SIMMULINK

Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một loại máy điện đồng bộ đặc biệt, khắc phục nhược điểm của động cơ đồng bộ thông thường bằng cách thay thế cuộn kích từ và chổi than bằng nam châm vĩnh cửu Điều này giúp giảm tổn hao rotor và bảo trì, nâng cao tuổi thọ máy PMSM yêu cầu sức điện động cảm ứng hình sin và dòng điện dạng sin để tạo mô men điện từ không đổi So với động cơ dị bộ, PMSM chỉ cần dòng stator để tạo mô men mà không cần cấp dòng điện kích từ, dẫn đến hệ số cosφ cao hơn và hiệu suất động cơ tốt hơn.

3.1.1 Cấu tạo của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của động cơ đồng bộ vĩnh cửu (PMSM) tương tự như động cơ đồng bộ thông thường, với stato được làm từ các lá thép kỹ thuật ghép lại Bên trong stato có các rãnh để đặt dây quấn, và động cơ PMSM sử dụng ba cuộn dây quấn phân tán hình sin trên chu vi stato Ba cuộn dây này được cấp ba điện áp xoay chiều, với dòng điện trong cuộn dây có dạng hình sin hoặc gần hình sin Sự phân bố từ thông ở khe hở không khí cũng có hình dạng tương tự, tạo ra hiệu suất hoạt động cao cho động cơ.

Rotor của PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu với cấu trúc phân bố độ tự cảm theo hình sin, thường làm từ đất hiếm như Samarium Cobalt (SmCo) hoặc Neodymium Iron Boride (NdFeB) Thiết kế này mang lại hiệu suất năng lượng cao và khả năng chống khử từ, với các nam châm được gắn bên trong hoặc bên ngoài lõi thép rotor để tối ưu độ bền cơ khí Khi vận hành ở tốc độ cao, khe hở không khí giữa các nam châm có thể được gia cố bằng vật liệu từ và bọc bằng vật liệu bền như sợi thủy tinh Dựa trên cấu trúc, PMSM được chia thành hai loại: động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi, trong đó động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPMSM) là một ví dụ điển hình.

Rotor máy điện cực lồi có tốc độ quay thấp, cho phép đường kính lớn và chiều dài nhỏ, dẫn đến tỷ số “chiều dài/đường kính” nhỏ Rotor thường được làm từ đĩa nhôm hoặc nhựa nhẹ nhưng bền, với nam châm gắn chìm bên trong Những máy này được gọi là máy từ trường hướng trục (rotor đĩa) và thường được ứng dụng trong kỹ thuật robot.

Hình 3.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

1- Lõi thép Stator; 2- Rotor; 3- Nam châm vĩnh cửu b Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPMSM)- Interior Permanent Magnet Synchronous Motor

Rotor của máy điện cựu ẩn được chế tạo từ thép hợp kim chất lượng cao, rèn thành khối trụ và gia công phay rãnh để lắp đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm được ẩn trong rotor, cấu trúc cơ học trở nên bền vững hơn, phù hợp cho các động cơ cao tốc Để hạn chế lực ly tâm do tốc độ cao, rotor thường có hình dạng trống với tỷ số “chiều dài/đường kính” lớn Loại máy này được gọi là máy từ trường hướng kính (rotor trụ dài) và thường được sử dụng trong các máy công cụ.

Máy sử dụng cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm không thể coi là khe hở không khí đều, vì các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor không thay đổi bề mặt hình học Mỗi nam châm được bọc bởi mảng cực thép, điều này làm thay đổi mạnh mạch từ của máy, do các mảng cực thép tạo ra các đường dẫn từ, giúp từ thông cắt ngang các cực và trong không gian vuông góc với từ thông nam châm.

Do đó hiệu ứng cực lồil à rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh mô men của máy điện

Hình 3.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

Lõi thép stator, rotor và nam châm vĩnh cửu là ba thành phần chính của truyền động secvô, yêu cầu vận hành êm ái bằng cách hạn chế mô men răng và mô men đập mạch do sóng hài Để đạt được điều này, các nam châm thường được tạo hình uốn lượn theo trục rotor, kết hợp với việc tính toán số răng và kích thước nam châm Tuy nhiên, kỹ thuật tạo ra rotor xiên là phức tạp và tốn kém Trong điều kiện bình thường, nếu mô men điều hoà răng dưới 2% mô men định mức thì được coi là chấp nhận được Việc sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển chính xác giúp hạn chế mô men điều hoà trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Ngày nay, có thể chế tạo stator không răng cho các máy điện nam châm vĩnh cửu.

Dây quấn startor được chế tạo từ bên ngoài và lồng vào trong startor giúp giảm tổn thất và tăng không gian cho dây quấn, cho phép sử dụng dây quấn có tiết diện lớn hơn, từ đó nâng cao dòng điện định mức và công suất của máy điện Tuy nhiên, khe hở không khí lớn có thể ảnh hưởng tiêu cực đến từ thông, nên rotor cần được thiết kế với đường kính lớn hơn và bề mặt nam châm lớn hơn Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có nhiều kiểu rotor khác nhau, trong đó ba kiểu rotor phổ biến thường gặp trong thực tế sẽ được trình bày.

Hình 3.3 Các kiểu rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn

3.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Khởi động động cơ PMSM tương tự như khởi động động cơ đồng bộ truyền thống, nhưng không cần cấp nguồn kích từ vào rotor do rotor sử dụng nam châm vĩnh cửu Khi cung cấp ba dòng điện hình sin vào ba cuộn dây stator, một từ trường quay sẽ được hình thành với tốc độ tương ứng.

Trong đó: f: tần số dòng điện p: là số đôi cực

Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường không đổi, và sự tương tác giữa từ trường quay và từ trường không đổi tạo ra mô men dao động Giá trị trung bình của mô men này là 0 Để máy điện hoạt động hiệu quả, nam châm vĩnh cửu cần được quay với tốc độ tương đương với tốc độ của từ trường, khi đó mô men trung bình của động cơ sẽ khác 0.

Việc khởi động động cơ đồng bộ bằng nam châm vĩnh cửu đạt tốc độ từ trường là một phương pháp đã được nghiên cứu, nhưng thường sử dụng động cơ sơ cấp lai ngoài, phương pháp này có chi phí cao và cồng kềnh nên ít phổ biến Phương pháp khởi động đồng bộ được áp dụng rộng rãi hơn, trong đó tải chỉ được đặt lên động cơ sau khi đã khởi động Do đó, máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoạt động với nam châm quay đồng bộ với từ trường quay, hay còn gọi là quay với tốc độ đồng bộ.

Phần lớn nghiên cứu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) chú trọng vào hoạt động của động cơ khi được cấp điện từ lưới Để khởi động, cuộn dây dập dao động hoạt động theo nguyên lý động cơ dị bộ, giúp kéo động cơ vào chế độ đồng bộ thông qua sự phối hợp giữa mô men dao động và mô men đồng bộ từ nam châm vĩnh cửu Trong quá trình khởi động, nam châm vĩnh cửu tạo ra mô men hãm, đối kháng với mô men từ cuộn dập dao động Do đó, mô men từ cuộn ổn định cần phải lớn hơn mô men hãm, tải và quán tính để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả.

Giới thiệu chung về ứng dụng Matlab-Simulink

Ngày nay, nhiều phần mềm chuyên dụng cho mô hình hóa và mô phỏng đã được phát triển, trong đó MATLAB – SIMULINK là một trong những phần mềm phổ biến nhất Phần mềm này được sử dụng để mô phỏng các hệ thống động học, cung cấp cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật công cụ tính toán mạnh mẽ, cũng như phương tiện mô phỏng, phân tích và tổng hợp các hệ thống động học.

MATLAB (Matrix Laboratory) là một môi trường tính toán mạnh mẽ chuyên về ma trận Nó được tích hợp nhiều Toolbox, cung cấp thư viện hàm hỗ trợ cho các ứng dụng cụ thể như hệ thống điều khiển, xử lý tín hiệu, tối ưu hóa, nhận dạng và điều khiển bền vững.

SIMULINK, trước đây được gọi là SIMULAB, là một môi trường mô phỏng mạnh mẽ dựa trên nền tảng Matlab, tích hợp các Toolbox dành cho hệ thống điều khiển và xử lý tín hiệu.

Simulink, một phần mở rộng của Matlab, được sử dụng để mô phỏng các hệ thống động học Với khả năng lập trình dưới dạng sơ đồ cấu trúc, Simulink mang lại sự thuận tiện trong việc mô phỏng và nghiên cứu các hệ thống điều khiển tự động.

Matlab, phát triển bởi công ty MathWorks Inc, là một phần mềm mạnh mẽ cho việc tính toán và xử lý ma trận, thiết kế hệ thống điều khiển, cũng như nhận dạng hệ thống đồ họa 2D và 3D Với môi trường mở, Matlab cung cấp các thuật toán và khả năng lập trình, cho phép người dùng tạo ra các ứng dụng và chương trình riêng biệt của mình.

Matlab sở hữu một thư viện phong phú với 500 hàm toán học, bao gồm đại số tuyến tính, hàm ma trận, phân tích biến đổi Fourier và các phương pháp số phi tuyến Ngoài ra, Matlab còn cung cấp nhiều Toolbox, là những thư viện hàm chuyên dụng giúp giải quyết các bài toán trong các lĩnh vực chuyên môn khác nhau.

Làm việc với Matlab rất đơn giản và thuận tiện, với hai phương thức chính: sử dụng cửa sổ lệnh và nhập trực tiếp các công thức, hàm, lệnh sau dấu nhắc “>>” Người dùng có thể thực hiện các phép toán và nhận kết quả ngay lập tức, tạo cảm giác giống như tính toán trên giấy, giúp thử nghiệm các thuật toán một cách dễ dàng và hiệu quả.

Làm việc với M-file trong Matlab cho phép lập trình và thực hiện các nhiệm vụ tính toán thông qua các lệnh được ghi trong file có phần mở rộng m File này được gọi là M.file và có thể mang tên tùy ý Để chạy chương trình, người dùng chỉ cần gõ tên file (không có phần mở rộng) sau dấu nhắc “>>”, lúc này Matlab sẽ xử lý M-file như một command file hay script file, thực hiện các lệnh theo thứ tự đã định Thông thường, khi chương trình chạy, các lệnh sẽ không hiển thị trên màn hình.

Simulink, phần mở rộng của Matlab, được sử dụng để mô phỏng các hệ động học, bao gồm hệ tuyến tính và phi tuyến, trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn Điểm nổi bật của Simulink là lập trình dưới dạng sơ đồ cấu trúc với các đối tượng đồ họa, giúp người dùng dễ dàng hình dung và viết mã, đặc biệt là những người không chuyên Giao diện đồ họa của Simulink cho phép xây dựng mô hình dưới dạng sơ đồ khối thông qua thao tác kéo và thả Người dùng có thể tùy chỉnh hoặc tạo khối mới để bổ sung vào thư viện, bao gồm các khối nguồn tín hiệu, khối xuất và hiển thị dữ liệu, phần tử tuyến tính, phi tuyến, khối gián đoạn, khối nối và khối phụ.

Mô hình trong Simulink được xây dựng theo kiểu phân cấp, cho phép người dùng phát triển mô hình theo hướng từ dưới lên hoặc từ trên xuống Chức năng tạo "mặt nạ" (Mask) trong Simulink giúp xây dựng các hệ con bằng cách tạo hộp thoại và biểu tượng mới cho khối, đồng thời tạo điều kiện tiếp nhận thông số từ người dùng, làm cho mô hình trở nên đơn giản và bảo vệ nội dung khối khỏi sự xâm nhập Trong quá trình mô phỏng, người dùng có thể quan sát hệ thống ở mức tổng quan và xem xét chi tiết hoạt động của từng khối bằng cách nháy đúp chuột vào khối đó Các khối Scope và các khối hiển thị khác từ thư viện Sinks cho phép theo dõi kết quả trong khi mô phỏng đang diễn ra Hơn nữa, người dùng có thể trực tiếp thay đổi thông số trong quá trình mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến kết quả.

Simulink có tính năng quan trọng là tự động tạo ra M.File (function) cho mô hình dạng sơ đồ khối, được gọi là S-function S-function là file mở, cho phép người dùng truy cập và chỉnh sửa dễ dàng thông qua lệnh sfun Điều này cho phép người dùng soạn thảo chương trình mô phỏng mà không cần sử dụng giao diện đồ thị Hơn nữa, Simulink còn hỗ trợ chuyển đổi giữa S-function và sơ đồ khối, mang lại sự thuận tiện cho người sử dụng.

3.2.3 Ứng dụng Simulink để mô hình hóa, mô phỏng, phân tích và khảo sát các hộ thống động học

SIMULINK là một phần mở rộng của MATLAB, chuyên dùng để mô hình hóa các hệ động học Giao diện đồ họa thân thiện của SIMULINK cho phép người dùng thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ cấu trúc dễ hiểu Trong quá trình mô phỏng, người dùng có thể trích xuất tín hiệu từ bất kỳ vị trí nào trên sơ đồ và hiển thị hoặc lưu trữ tín hiệu đó, giúp việc khảo sát hệ thống trở nên thuận tiện hơn.

Trong các hệ thống truyền động tự động, việc điều chỉnh dòng điện và tốc độ là rất quan trọng Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng các tiêu chuẩn tối ưu modun hoặc modun đối xứng để tổng hợp mạch vòng điều chỉnh Dựa trên cấu trúc của các bộ điều chỉnh tổng hợp, chúng ta có thể khảo sát hệ thống thông qua MATLAB – SIMULINK.

Ứng dụng Matlab-Simulink mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Hình 3.4 Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

3.3.1 Các phương trình động học và mô hình trong matlab-simulink a, Mô hình Clark-Park

Hình 3.5 Mô hình chuyển đổi Clark-Park b, Mô hình Clark-Park ngược

Hình 3.6 Mô hình Clark-Park ngược c, Phương trình điện áp

Hình 3.7 Mô hình dòng điện động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu e, Mô hình mômen

Hình 3.8 Mô hình momen động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu f, Mô hình tốc độ

Hình 3.9 Mô hình tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Mô phỏng với các thông số như sau:

Hình 3.11 Đáp ứng đầu ra tốc độ

Hình 3.12 Đáp ứng đầu ra mômen

Hình 3.13 Đáp ứng đầu ra dòng điện

Tiêu đề	Mô Hình Hóa Mô Phỏng Động Cơ Đồng Bộ
Tác giả	Nguyễn Hoàng Anh
Người hướng dẫn	Mai Hoàng Công Minh
Trường học	Trường Đại Học Điện Lực
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	Báo Cáo Chuyên Đề
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	0,91 MB