BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG Giáo viên hướng dẫn TS Phan Đình Hiếu Lớp ME6057 3 Sinh viên thực hiện Phạm Minh Nhật 2019602278 Nguyễn Anh Quân 2019603384 Trần Đình Phong 2019603194 Hà Nội 2021 1 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 MỤC LỤC MỤC LỤC 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH 5 LỜI MỞ ĐẦU 7 CH.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Đình Hiếu Lớp: ME6057.3 Sinh viên thực hiện: Phạm Minh Nhật 2019602278 Nguyễn Anh Quân 2019603384 Trần Đình Phong 2019603194 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 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày mạnh mẽ tất lĩnh vực đời sống xản xuất Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào hoạt động sản xuất địi hỏi người phải khơng ngừng học hỏi nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật tiến giới Chính vậy, phát triển ngành điện tử có ý nghĩa quan trọng sản phẩm ngành phục vụ tất ngành khác kinh tế như: phục vụ lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển cảm ứng… Bài tập lớn mơn mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử giúp cho sinh viên tìm hiểu khai thác hiệu mơ hình điện tử như: mơ hình tơ, xây dựng cầu, người máy, xe lăn điện tử, tên lửa… Các mơ hình sử dụng cơng nghiệp, thương mại qn đội, đắt đỏ, nguy hiểm bất khả thi thực thí nghiệm với hệ thống thực Các mơ hình mơ tả phù hợp với thực tế, thực thi thí nghiệm với chúng tiết kiệm tiền bạc, tổn thất chí thời gian Trong đề tài tập lớn mơn “mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử ” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày cách cụ thể trình nghiên cứu tìm hiểu tính tốn mơ hình hóa mô hệ thống động điện chiều nam châm vĩnh cửu Thơng qua áp dụng vào nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành trường Để báo cáo hồn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận góp ý từ phía thầy cô Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn Phan Đình Hiếu nhiệt tình hướng dẫn tập lớn mơn cho chúng em CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Động chiều nam châm vĩnh cửu gì? Động chiều DC (DC từ viết tắt Direct Current) động điều khiển dịng có hướng xác định hay nói cách khác loại động chạy nguồn điện áp DC - điện áp chiều Động điện chiều nam châm vĩnh cửu động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 1.1.2 Cấu tạo phân loại động điện chiều Hình 1.1: Cấu tạo động điện chiều Cấu tạo động điện chiều phân thành phần chính: • Phần tĩnh (stator) hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường gồm có: - Dây quấn kích thích: Mạch từ dây kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động kích từ nam châm điện), mạch từ làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ, cuộn dây điện từ mắc nối tiếp với Hình 1.2: Cấu tạo stator động điện chiều - Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối, tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với Hình 1.3: Cực từ - Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn - vào vỏ máy nhờ bulông Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại, máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện - nhỏ dùng gang làm vỏ máy Các phận khác: o Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang o Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ, sau điều chỉnh xong • dùng vít cố định lại Phần động ( rotor): Bao gồm phận sau - Phần sinh sức điện động gồm có: Mạch từ làm vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có rãnh để lồng dây quấn phần ứng Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với theo qui luật định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây đầu dây bối dây nối với phiến đồng gọi phiến góp, phiến góp ghép cách điện với cách điện với trục gọi cổ góp hay vành góp Tỳ cổ góp cặp trổi than làm than graphit ghép sát vào thành cổ góp nhờ lị xo Hình 1.4: Cấu tạo rotor động điện chiều - Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên người ta cịn dập lỗ thơng gió để ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rơto Dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rơto Hình 1.5: Lõi sắt phần ứng 10 Hình 3.19: Biểu đồ hồn chỉnh sau tối giản hóa Trong đó: - Se (V): Điện áp đặt I (L): Phần tử cảm kháng phần ứng R (R): Phần tử trở kháng phần ứng GY: Con quay hồi chuyển I (J): Phần tử cảm kháng momen quán tính R (b): Phần tử trở kháng (ma sát) động Chiều effort flow: 23 Hình 3.20: Quan hệ nhân biểu đồ Bond Graph Trong đó: - f1=f2=f3=f4: Dịng điện cảm ứng động e1: Điện áp đặt e2: Điện áp cuộn cảm e3: Điện áp điện trở e4: Suất điện động động f5=f6=f7: Tốc độ góc động e5: Momen quay trục động e6: Momen quán tính e7: Momen cản 24 3.4 Thiết kế điều khiển động điện chiều Hình 3.21: Bộ điều khiển hệ thống động điện chiều CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN 20 SIM 25 4.1 Thiết kế biểu đồ bond graph 20 sim: Hình 4.22: Biểu đồ Bond Graph Các thơng số: • • • • • Điện cảm phần ứng L: 10−3 H Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω Hệ số cản b = 6.6 10−3Nms/rad Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑁 𝑁2/𝑁𝑁𝑁 Hệ số momen K= 0.3 Đặt thơng số chạy chương trình: 26 Hình 4.23: Các thơng số nhập vào 20 sim Hình 4.24: Đồ thị vận tốc theo thông số 27 4.2 Hệ thống với điều khiển PID: Hình 4.25: Bộ điều khiển PID 20 sim Đặt thông số: Giá trị đặt C=30, Kp=1, TauD=1, TauI=1, beta=0.1s ta có: Hình 4.26: Đồ thị vận tốc với Kp=1, TauD=1, TauI=1 *Nhận xét: Sai số xác lập thấp, thời gian xác lập lớn 28 Với giá trị đặt C=30, Kp=5, TauD=1, TauI=1, beta=0.1s ta có: Hình 4.27: Đồ thị vận tốc với Kp=5, TauD=1, TauI=1 * Nhận xét: Sai số xác lập tăng, thời gian xác lập giảm, hệ thống lên nhanh Với giá trị đặt C=30, Kp=10, TauD=1, TauI=1,beta=0.1s ta có: Hình 4.28: Đồ thị vận tốc với Kp=10, TauD=1, TauI=1 * Nhận xét: Hệ thống xuất độ vọt lố, sai số xác lập tăng, thời gian xác lập giảm 29 Với giá trị đặt C=30, Kp=20, TauD=1, TauI=1, beta=0.1s ta có: Hình 4.29: Đồ thị vận tốc với Kp=20, TauD=1, TauI=1 * Nhận xét: Độ vọt lố tăng, sai số xác lập giảm, thời gian xác lập giảm Vậy để hệ thống ổn định, lấy giá trị Kp =9 *Nhận xét: Có thể thấy Kp tăng, hệ thống lên nhanh, thời gian xác lập giảm Khi tăng Kp đến giá trị xuất độ vọt lố, giá trị xác lập giảm Khi tăng thêm Kp, độ vọt lố lớn, thời gian xác lập giảm giá trị xác lập sát với giá trị đặt 30 Đặt giá trị: giá trị đặt C=30, Kp=9, TauD=1, TauI=1, beta=0.1s ta có: Hình 4.30: Đồ thị vận tốc với Kp=9, TauD=1, TauI=1 *Nhận xét: Hệ thống ổn định nhanh, độ vọt lố thấp, thời gian xác lập thấp, sai số xác lập cao Đặt giá trị: giá trị đặt C=30, Kp=9, TauD=5, TauI=1, beta=0.1s ta có: Hình 4.31: Đồ thị vận tốc với Kp=9, TauD=5, TauI=1 *Nhận xét: Hệ thống ổn định nhanh, độ vọt lố thấp, thời gian xác lập thấp, sai số xác lập giảm 31 Đặt giá trị: giá trị đặt C=30, Kp=9, TauD=10, TauI=1, beta=0.1s ta có: Hình 4.32: Đồ thị vận tốc với Kp=9, TauD=10, TauI=1 *Nhận xét: Hệ thống ổn định nhanh, độ vọt lố thấp, thời gian xác lập thấp, sai số xác lập giảm *Đánh giá: Khi TauD tăng, sai số xác lập giảm, hệ thống dần ổn định đến giá trị đặt Có thể lấy giá trị TauD =5 Đặt giá trị: giá trị đặt C=30, Kp =9, TauD=5, TauI=5, beta=0.1s ta có: Hình 4.33: Đồ thị vận tốc với Kp=9, TauD=5, TauI=5 * Nhận xét: Hệ thống ổn định, độ vọt lố giảm, sai số xác lập thấp, thời gian xác lập thấp 32 Đặt giá trị: giá trị đặt C=30, Kp =9, TauD=5, TauI=10, beta=0.1s ta có: Hình 4.34: Đồ thị vận tốc với Kp=9, TauD=5, TauI=10 * Nhận xét: Hệ thống ổn định nhanh, độ vọt lố giảm, sai số xác lập tăng, thời gian xác lập giảm *Đánh giá: Khi giá trị TauI tăng, độ vọt lố giảm, sai số xác lập tăng, thời gian xác lập giảm Có thể lấy giá trị TauI =3 33 KẾT LUẬN: Sử dụng điều khiển PID cho hệ thống động điện chiều khắc phục yếu tố gây ổn định cho hệ thống Xét đặc tính góc quay động điện chiều kích từ song song trên, ban đầu động quay với tốc độ không tốc độ đặt Khi thêm điều khiển PID vào hệ thống kiểm soát tốc độ quay động phạm vi giá trị tốc độ quay mong muốn Tiếp tục hiệu chỉnh hệ số Kp, Kd, Ki làm hệ thống đáp ứng nhanh, xác với kết thu sau khảo sát đặc tính góc quay trường hợp: Kp=9; TauD=5; TauI=3 sau: Hình 4.35: Đồ thị vận tốc với Kp=9; TauD=5; TauI=3 Các giá trị: - Sai số xác lập: 0.8% - Thời gian xác lập: 0.024s - Độ vọt lố: nhỏ, xấp xỉ 0.451 34 KẾT LUẬN CHUNG Qua trình nghiên cứu, tìm hiểu,chúng em nắm cấu tạo, nguyên lý hoạt động thông số kỹ thuật nam châm vĩnh cửu Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều Sử dụng phần mềm 20-Sim để mô đánh giá đặc tính tốc độ động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều Qua tuần thực đề tài với tất cố gắng với hướng dẫn chu đáo nhiệt tình TS Phan Đình Hiếu, tồn thể thầy khoa bạn bè, nhóm chúng em trình bày phương pháp nội dung mà yêu cầu đề đặt Nhưng có lẽ khơng thể tránh thiếu sót Nhóm chúng em kính mong thầy bảo để nhóm chúng em hồn thiện hơn, vững vàng hơn, để tự tin q trình học tập làm việc sau Cuối cùng, lần em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Phan Đình Hiếu, thầy hướng dẫn bảo em suốt thời gian qua để em hồn thành tập lớn Chúng em xin chân thành cảm ơn! 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chih-Hui Chiu, You-Wei Lin, Chun-Hsien Lin (2011) Real-time control of a wheeled inverted pendulum based on an intelligent model free controller Mechatronic 21 523533 Donald, M (2011) Bond graph Modelling of Engineering Systems: Theory, Applications and Software Support Gawthrop, P (2000) Physical interpretation of inverse dynamics using bicausal bond graphs J Frankl Inst., 337(6): 743–69 Gawthrop, P (n.d.) Bicausal bond graph, in: Proceeding of the International Conference on Bond Graph Modeling and Simulation ICBGM95, vol 27, 1995, pp 8388 Ngwompo R.F., Scavarda S (1999) Dimensioning problems in system design using bicausal bond graphs Simul Pract Theory7, 577–587 Ngwompo R.F., Scavarda S., Thomasset D (2001) Physical model-based inversion in control systems design using bond graph representation—part 2: applications Proc IMechE Part I J Syst Control Eng, 215: 105–12 [10] Wang JJ Simulation studies of inverted pendulum based on PID controllers Simulatio Olivares M, Albertos P (2014) Linear control of the flywheel inverted pendulum ISA Transactions Retrieved from http://dx.doi.org/10.1016/j.isatra.2013.12.030i Zakaria Khaouch, Mustapha Zekraoui, Jamaa Bengourram, Nourreeddine Kouider, Mustapha Mabrouki (n.d.) Mechatronic modelling of a 750 kW fixed-speed wind energy conversion system using the Bond Graph Approach ISA Transactions 65 (2016) 418436 36 ... tình hướng dẫn tập lớn môn cho chúng em CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 1. 1 Động điện chiều 1. 1 .1 Động chiều nam châm vĩnh cửu gì? Động chiều DC (DC từ viết... Current) động điều khiển dịng có hướng xác định hay nói cách khác loại động chạy nguồn điện áp DC - điện áp chiều Động điện chiều nam châm vĩnh cửu động điện chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 1. 1.2... thay đổi điện áp 15 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ 2 .1 Phân tích mơ hình hệ thống động điện chiều Hình 2 .10 : Mơ hình hệ thống động điện chiều