Bài tập lớn học phần mô hình hoá mô phỏng hệ thống cơ điện tử

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN MƠ HÌNH HỐ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Đình Hiếu Sinh viên thực hiện: Lê Đức Thắng Nguyễn Đức Thiệu Nguyễn Văn Thành Hà Nội-2023 2020605206 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên chấm phản biện MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH BÀI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 1.1 Tổng quan hệ thống động điện chiều kích từ song song 1.2 Xây dụng phương trình mơ tả động điện chiều phương pháp vật lý 12 1.3 Xây dựng biểu đồ bondgraph 16 1.4 Mô đánh giá đặc tính tốc độ động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim 19 BÀI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 28 2.1 Động điện chiều nam châm vĩnh cửu 28 2.2 Hệ thống điều khiển động điện chiều 30 2.3 Mô hình hóa hệ thống hàm truyền phương trình không gian trạng thái 32 2.4 Xây dựng biểu đồ bond graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển vị trí động điện chiều 33 2.5 Xây dựng hệ thống điều khiển động điện chiều 37 2.6 Mô đánh giá đặc tính vị trí động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim 39 BÀI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TRÊN XE BUS 47 3.1 Tổng quan hệ thống 47 3.2 Phân tích vật lí hệ thống 49 3.3 Mô đánh giá đặc tính hệ thống 51 KẾT LUẬN 61 DANH MỤC HÌNH ẢNH BÀI 1: Hình 1 Động điện chiều .12 Hình Cấu tạo động điện chiều 12 Hình Ứng dụng động điện chiều 15 Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển góc quay động điện chiều kích từ song song 16 Hình 1.5 Sơ đồ mạch điện động điện chiều kích từ song song 16 Hình 1.6: Phân tíc sơ đồ mạch điện 17 Hình 1.7 Biểu đồ Bond Graph mô 20-sim 23 Hình 1.8 Thiết lập tham số cho hệ thống 23 Hình 1.9 Đồ thị biểu diễn dịng điện mạch phần ứng mạch kích từ 24 Hình 1.10 Đồ thị biểu diễn momen đầu vận tốc góc động .24 Hình 1.11 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng điều khiển P 25 Hình 1.12 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển P với Kp=1 25 Hình 1.13 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng điều khiển PI 27 Hình 1.14 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI với Kp=10, Ti =1s 27 Hình 1.15 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI với Kp=10, Ti=0.1s 28 Hình 1.16 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng điều khiển PD 29 Hình 1.17 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với Kp=10, Td =1s 29 Hình 1.18 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với Kp=10, Td =10s .30 Hình 1.19 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng điều khiển PID 30 Hình 1.20 Đáp ứng hệ thống sử dụng PID với Kp=1, Ti =1s, Td=1s 31 Hình 1.21 Đáp ứng hệ thống sử dụng PID với Kp=10, Ti =200ms, Td=10s 31 BÀI 2: Hình 2.1: Cấu tạo động điện chiều nam châm vĩnh cửu 32 Hình 2.2: Ứng dụng động điện nam châm vĩnh cửu 34 Hình 2.3: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động điện chiều 41 Hình 2.4 : Quan hệ nhân phần tử hệ thống .41 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống hở 43 Hình 2.6 Nhập thông số đầu vào cho động chiều nam châm vĩnh cửu 44 Hình 2.7 Vị trí động chưa có điều khiển .44 Hình 2.8 Biểu đồ Bond Graph với điều khiển P .45 Hình 2.9 Biểu đồ Bond Graph với điều khiển PD 46 Hình 2.10 Vị trí động Kp=1 Kd=1 .47 Hình 2.11 Khảo sát vị trí động Kp=1 Kp thay đổi 47 Hình 2.12 Biều đồ Bond Graph với điều khiển PI 48 Hình 2.13 Vị trí động với Kp=1 Ki =1 .48 Hình 2.14 Khảo sát vị trí động với Kp=1 Ki thay đổi 49 Hình 2.15 Biểu đồ Bond Graph với điều khiển PID .49 Hình 2.16 Vị trí động với Kp=1, Kd=1, Ki=1 50 BÀI 3: Hình 3.1.Cấu tạo hệ thống treo thực tế 51 Hình 3.2 Mơ hình hệ thống treo xe bus 53 Hình 3.3.Phân tích lực tác động vào thân xe 54 Hình 3.4.Phân tích lực tác động vào hệ treo 54 Hình 0.5.Cấu trúc hệ thống treo xe bus 56 Hình 0.6.Biểu đồ bond graph hệ thống treo xe bus .57 Hình 0.7.Biểu đồ bond graph tối giản hệ thống treo xe bus 57 Hình 0.8.Biểu đồ band graph cho hệ hở 58 Hình 0.9.Biểu đồ band graph cho hệ kín .58 Hình 0.10.Các thơng số hệ hở 59 Hình 0.11.Biên độ giao động xe chưa có điều khiển 60 Hình 0.12 Sơ đồ điều khiển vịng kín hồi tiếp âm 60 Hình 0.12.Các thơng số ban đầu hệ điều khiển vịng kín .61 Hình 0.13.Biên độ giao động chưa hiệu chỉnh hệ số điều khiển 61 Hình 0.14.Biên độ giao động thay đổi giá trị Td .62 Hình 0.15.Biên độ giao động thay đổi giá trị Kp 62 Hình 0.16.Biên độ giao động thay đổi giá trị Ti 63 Hình 0.17 Biên độ giao động thay đổi giá trị Kp, Ki, Kd 64 BÀI BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG 1.1 Tổng quan hệ thống động điện chiều kích từ song song 1.1.1 Giới thiệu chung động điện chiều Động điện chiều loại máy điện biến điện dòng chiều thành Ở động chiều từ trường từ trường không đổi Để tạo từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu nam châm điện cung cấp dòng điện chiều Hình 1.1 Động điện chiều Công suất lớn máy điện chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượng tia lửa cổ góp hạn chế tăng công suất máy điện chiều Cấp điện áp máy chiều thường 120V, 240V, 500V lớn 1000V Không thể tăng điện áp lên điện áp giới hạn phiến góp 35V  Cấu tạo động điện chiều Hình 1 Cấu tạo động điện chiều Gồm có phận sau: - Stator: Thông thường tạo thành từ hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có nam châm điện - Rotor: Chính phần lõi có quấn cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện - Chổi than (còn gọi brushes): Có nhiệm vụ tiếp xúc tiếp điện cho phận cổ góp - Cổ góp (cịn gọi commutator): Có nhiệm vụ tiếp xúc chia điện cho cuộn dây phần rotor Số lượng điểm tiếp xúc thông thường phải tương ứng với số cuộn có rotor  Ngun lí hoạt động động điện chiều Stato động điện chiều thường nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng nam châm điện), cịn rotor có cuộn dây quấn, chúng nối với nguồn điện chiều Còn phận chỉnh lưu có nhiệm vụ làm đổi chiều dịng điện chuyển động quay rotor chuyển động liên tục Thơng thường phận bao gồm có cổ góp chổi than mắc tiếp xúc với cổ góp Nếu trục quay động điện chiều kéo lực từ bên ngoài, động hoạt động tương tự máy phát điện chiều để tạo sức điện động cảm ứng có tên Electromotive force (EMF) Trong trình vận hành bình thường, rotor quay phát điện áp (còn gọi sức phản điện động) có tên counter - EMF (CEMF) gọi sức điện động đối kháng Sức điện động hoạt động tương tự sức điện động phát động sử dụng giống máy phát điện Khi đó, điện áp đặt động bao gồm thành phần là: sức phản điện động với điện áp giáng tạo điện trở bên cuộn dây phần ứng - Dòng điện chạy qua động lúc tính theo biểu thức sau: I  V nguon  Vphandiendong  R phanung Công suất mà động đưa tính cơng thức: - P  I V phandiendong 1.1.2 Động điện chiều kích từ song song Thơng thường, chiều dịng điện vào động I, dòng điện phần ứng Iư, dịng điện kích từ Ikt tính theo cơng thức: I = Iư + Ikt Để mở máy, người ta thường dùng biến trở để mở máy (gọi Rmở) Để điều chỉnh tốc độ động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi dịng điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi từ thông Φ Phương pháp sử dụng rộng rãi, song cần ý điều rằng, giảm từ thơng Φ, dịng điện phần ứng Iư tăng lên trị số cho phép Khi đó, cần có phận bảo vệ để cắt điện kịp thời, không cho động làm việc trường hợp từ thông giảm xuống nhiều 1.1.3 Ưu, nhược điểm động điện chiều Ưu điểm động điện chiều: - Có momem mở máy lớn, kéo tải nặng khởi động - Khả điều chỉnh tốc độ tải tốt - Tiết kiệm điện - Bền bỉ, tuổi thọ lớn Nhược điểm động điện chiều: - Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, hay hư hỏng trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên - Tia lửa điện phát sinh cổ góp chổi than gây nguy hiểm, điều kiện môi trường dễ cháy nổ - Giá thành đắt mà công suất không cao 10 Hệ thống treo có cấu tạo gồm phận khác Mỗi phận lại đảm nhận nhiệm vụ riêng biệt, cụ thể sau: - Bộ phận đàn hồi: cấu tạo gồm lị xo, xoắn, nhíp khí nén, giữ nhiệm vụ hấp thụ dao động từ mặt đường, làm giảm tác động sức nặng lên khung xe, giúp bánh xe di chuyển êm ái, ổn định - Bộ phận giảm chấn: Có hai loại giảm chấn giảm chấn thủy lực giảm chấn dùng ma sát Chúng đóng vai trị việc hạn chế dao động bánh xe thân xe Nhờ đó, đảm bảo độ bám đường tốt - Bộ phận dẫn hướng: Giống tên gọi nó, phận đóng vai trị đảm bảo động học xe, hướng bánh xe di chuyển theo phương thẳng đứng Ngồi ra, chúng cịn giữ vai trị tiếp nhận, truyền lực mô-men từ bánh xe lên khung, vỏ xe 3.1.3 Yêu cầu hệ thống treo Hệ thống treo phải đảm bảo yêu cầu sau đây: - Đặc tính đàn hồi hệ thống treo (đặc trưng độ võng tĩnh ft hành trình động fđ) phải đảm bảo cho xe có độ êm dịu cần thiết chạy đường tốt không bị va đập liên tục lên ụ hạn chế chạy đường xấu không phẳng với tốc độ cho phép Khi xe quay vòng, tăng tốc phanh vỏ xe khơng bị nghiêng, ngửa hay chúc đầu - Đặc tính động học, định phận dần hướng, phải đảm bảo cho xe chuyển động ổn định có tính điều khiển cao, cụ thể là: + Đảm bảo cho chiều rộng sở góc đặt trụ quay đứng bánh xe dẫn hướng không đổi thay đổi không đáng kể + Giảm chấn phải có hệ sổ dập tắt dao động thích hợp để dập tắt dao động hiệu êm dịu + Có khối lượng nhỏ, đặc biệt phần không treo + Kết cẩu đơn giản, dễ bố trí Dù hệ thống treo thiết kế với cơng nghệ thiết kế phải đáp ứng với mục đích mang lại sức nặng xe điều kiện địa hình Đảm bảo ổn định, linh hoạt xe chuyển hướng, vào cua, tăng hay giảm tốc Giảm thiểu tối đa 48 tác động bề mặt địa hình lên phần thân xe nhằm tăng thoải mái cho người ngồi xe Cuối đảm bảo điều kiện an toàn tối thiểu va chạm 3.1.4 Chức năng, ứng dụng hệ thống treo Với kết hợp ăn ý phận chủ chốt, hệ thống treo tơ đảm nhận nhiều trọng trách khác Chúng vừa đóng vai trò việc chịu sức nặng xe, vừa phận đảm bảo bánh xe chuyển động theo phương thẳng đứng Ngồi ra, hệ thống treo cịn giúp đảm bảo độ bám ma sát bánh xe với mặt đường Nhờ đó, xe linh hoạt tình phanh, vào cua, tăng tốc hay chuyển hướng Đây phận giúp xe vận hành êm ái, ổn định, đảm bảo an toàn thoải mái cho người ngồi xe Tổng quan động điện chiều 3.2 Phân tích vật lí hệ thống 3.2.1 Phân tích vật lý hệ thống treo xe bus Hình 3.2 Mơ hình hệ thống treo xe bus Hệ thống treo xe bus hệ gồm có nhiều điểm, mà vị trí vận tốc phần tử khác Chúng kết nối phần tử đàn hồi (lò xo) phận giảm chấn Bên cạnh cịn có hệ thống điều khiển lực để điều chỉnh lực quãng đường khác Sau vào phân tích vật lý hệ thống Trước hết xét phần thân xe: 49 Hình 3.3.Phân tích lực tác động vào thân xe Phần thân xe gồm có phần tử tác động lị xo K1, lực điều khiển u giảm chấn b1 Các lực xét hệ quy chiếu X1 hệ thân xe, X2 hệ quy chiếu so với vật thể phía Theo định luật Newton ta có: −𝐾1 (𝑋1 − 𝑋2 ) − 𝑏1 (𝑋̇1 − 𝑋̇2 ) + 𝑈 = 𝑚1 𝑋̈1 (0.1) Laplace vế phương trình (2.1) ta có: −𝐾1 [𝑋1 (𝑠) − 𝑋2 (𝑠)] − 𝐵1 [𝑋1 (𝑠) 𝑠 − 𝑋2 (𝑠) 𝑠] + 𝑈(𝑠) = 𝑀1 𝑋1 (𝑠) 𝑠 ↔ (𝑀1 𝑠 + 𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) 𝑋1 (𝑠) − (𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) 𝑋2 (𝑠) = 𝑈(𝑠) (0.2) Xét phận treo hệ thống: Hình 3.4.Phân tích lực tác động vào hệ treo Tương tự với phần thân xe cách phân tích, nhiên phận treo chịu ảnh hưởng thêm phần lực lò xo K2 giảm chấn b2 Theo định luật Newton: 𝐾1 (𝑋1 − 𝑋2 ) + 𝑏1 (𝑋̇1 − 𝑋̇2 ) − 𝐾2 (𝑋2 − 𝑊2 ) − 𝑏1 (𝑋̇2 − 𝑊̇2 ) − 𝑈 = 𝑚2 𝑋̈2 (0.3) Laplace vế phương trình (2.2) ta có: 𝐾1 [𝑋1 (𝑠) − 𝑋2 (𝑠)] + 𝑏1 [𝑋1 (𝑠) 𝑠 − 𝑋2 (𝑠) 𝑠] + 𝐾2 [𝑊 (𝑠) − 𝑋2 (𝑠)] + 𝑏1 [𝑊 (𝑠) 𝑠 − 𝑋2 (𝑠) 𝑠] − 𝑈(𝑠) = 𝑀2 𝑋2 (𝑠) 𝑠 50 ↔ −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) 𝑋1 (𝑠) + [𝑀2 𝑠 + (𝑏1 + 𝑏2 ) 𝑠 + 𝐾1 + 𝐾2 ] 𝑋2 (𝑠) = (𝑏2 𝑠 + 𝐾2 ) 𝑊 (𝑠)-U(s) (0.4) Từ thiết lập (2.2) (2.4) ta có hệ phương trình: (𝑀1 𝑠 + 𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) 𝑋1 (𝑠) − (𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) 𝑋2 (𝑠) = 𝑈(𝑠) { −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) 𝑋1 (𝑠) + [𝑀2 𝑠 + (𝑏1 + 𝑏2 ) 𝑠 + 𝐾1 + 𝐾2 ] 𝑋2 (𝑠) = (𝑏2 𝑠 + 𝐾2 ) 𝑊 (𝑠) − U(s) Để giải phương trình dễ dàng cần đưa dạng ma trận với biến 𝑋1 (𝑠), 𝑋2 (𝑠), 𝑈(𝑠) W(s), phương trình ma trận có dạng: [ 𝑀1 𝑠 + 𝑏1 𝑠 + 𝐾1 −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) 𝑋 (𝑠 ) ][ ] 𝑀2 𝑠 + (𝑏1 + 𝑏2 ) 𝑠 + 𝐾1 + 𝐾2 𝑋2 (𝑠) 𝑈 (𝑠 ) ] =[ (𝑏2 𝑠 + 𝐾2 ) 𝑊 (𝑠) − U(s) Đặt: T=[ 𝑀1 𝑠 + 𝑏1 𝑠 + 𝐾1 −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) Ta có:𝛥 = det(𝑇) = 𝑑𝑒𝑡 [ −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) ] 𝑀2 𝑠 + (𝑏1 + 𝑏2 ) 𝑠 + 𝐾1 + 𝐾2 𝑀1 𝑠 + 𝑏1 𝑠 + 𝐾1 −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) ] 𝑀2 𝑠 + (𝑏1 + 𝑏2 ) 𝑠 + 𝐾1 + 𝐾2 Suy ra: 𝛥 =(𝑀1 𝑠 + 𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ).[𝑀2 𝑠 + (𝑏1 + 𝑏2 ) 𝑠 + 𝐾1 + 𝐾2 ]-(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 )2 Từ phương pháp dùng ma trận nghịch đảo ta có: [ 𝑀 𝑠 + (𝑏1 + 𝑏2 ) 𝑠 + 𝐾1 + 𝐾2 𝑋1 (𝑠) ]= [ 𝑋2 (𝑠) 𝛥 −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) −(𝑏1 𝑠 + 𝐾1 ) 𝑈(𝑠) ][ ] 𝑀1 𝑠 + 𝑏1 𝑠 + 𝐾1 (𝑏2 𝑠 + 𝐾2 ) 𝑊 (𝑠) − U(s) Tiếp tục khai triển ta được: 𝑀 𝑠 + 𝑏2 𝑠 + 𝐾2 𝑋 (𝑠) [ ]= [ 𝑋2 (𝑠) 𝛥 −𝑀1 𝑠 𝑈(𝑠) 𝑏1 𝑏2 𝑠 + (𝑏1 𝐾2 + 𝑏2 𝐾1 )𝑠 + 𝐾1 𝐾2 ].[ ] 𝑀1 𝑏2 𝑠 + (𝑀1 𝐾2 + 𝑏1 𝑏2 )𝑠 + (𝑏1 𝐾2 + 𝑏2 𝐾1 )𝑠 + 𝐾1 𝐾2 𝑊(𝑠) Gỉa sử xem xét đầu vào lực điều khiến U(s), đặt W(s)=0, ta có hàm truyền thứ nhất: 𝑋1 (𝑠) − 𝑋2 (𝑠) (𝑀1 + 𝑀2 )𝑠 + 𝑏2 𝑠 + 𝐾2 𝐺1 (𝑠) = = 𝑈(𝑠) 𝛥 (0.5) Khi ta muốn xét đầu vào nhiễu W(s), U(s)=0 Do ta có hàm truyền: 𝐺2 (𝑠) = 𝑋1 (𝑠) − 𝑋2 (𝑠) −𝑀1 𝑏2 𝑠 − 𝑀1 𝐾2 𝑠 = 𝑊 (𝑠 ) 𝛥 (0.6) Như vậy, với đầu vào tác động hệ thống treo xe có hàm truyền khác nhau, với đầu vị trí thân xe phận treo 3.3 Mơ đánh giá đặc tính hệ thống 3.3.1 Cấu trúc thông số hệ thống 51 Hệ thống treo xe bus Hình 0.5.Cấu trúc hệ thống treo xe bus Hệ thống gồm phần tử thông số sau: - Khối lượng thân xe: 2500kg - Khối lượng bánh xe: 320kg - Độ cứng hệ treo K1: 80000N/m - Độ cứng lốp xe K2 : 500000N/m - Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m - Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m - Ngoài cịn có lực điều khiển U để hệ thống đảm bảo chức 3.3.2 Xây dựng biểu đồ Bond Graph cho hệ thống − Mỗi vị trí hệ thống mà có vận tốc khác đặt “1-junction” − Chèn phần tử mạch “single port” cách kết nối với “0-junction” đường bond − Nguồn vào Se nối với “1-junction” qua “0-junction” Đồng thời ta thực gắn chiều nhân quả, thông qua quy tắc sau: + Chỉ “Causal stroke” vào “0-junction” lại “Causal stroke” khác + Chỉ “Causal stroke” “1-junction” lại “Causal stroke” khác vào 52 Từ ta xây dựng sơ đồ Bond Graph đầu tiên: Hình 0.6.Biểu đồ bond graph hệ thống treo xe bus Đơn giản hóa sơ đồ Bond Graph, 0-junction mắc song song với nối với 0-junction thông qua việc mắc vào 1-junction, đơn giản hóa sơ đồ: Hình 0.7.Biểu đồ bond graph tối giản hệ thống treo xe bus Để cho việc giảm rung chấn xe hiệu quả, bắt buộc nhà sản suất phải lắp đặt điều khiển để điều hịa lực mà hệ bị chịu tác động vào Hiện có nhiều điều khiển khác nhau, phạm vi nghiên cứu số điều khiển hay dùng 53 PI, PD, PID Trong này, sử dụng điều khiển PID để hệ thống treo tối ưu Sơ đồ bond graph chưa có điều khiển, hệ thống vịng hở: Hình 0.8.Biểu đồ band graph cho hệ hở Sơ đồ bond graph có điều khiển biểu diễn dạng hồi tiếp âm: Hình 0.9.Biểu đồ band graph cho hệ kín 54 3.3.3 Mơ Mơ đánh giá đặc tính giao động thân xe a Mơ đánh giá hệ thống chưa có điều khiển Trước hết ta khảo sát hệ thống chưa có điều khiển PID có lực tác dụng vào hệ treo Đầu tiên để đánh giá hệ thống, ta nhập thông số đầu vào mà ta có từ trước: - Khối lượng thân xe: 2500kg - Khối lượng bánh xe: 320kg - Độ cứng hệ treo K1: 80000N/m - Độ cứng lốp xe K2 : 500000N/m - Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m - Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m Ngồi thơng số biết trước mà đầu cho, giả sử lực gây nhiễu tác dụng vào hệ treo 100N giây thứ đến giây thứ Hình 0.10.Các thơng số hệ hở 55 Khi ta kết giao động thân xe: Hình 0.11.Biên độ giao động xe chưa có điều khiển Nhận xét: Qua biểu đồ, ta thấy có lực 100N tác động 1s, thân xe giao động biên độ giảm dần trạng thái lúc chưa bị tác động, nhiên khoảng thời gian kéo dài khoảng 35s Việc rung lắc với thời gian dài bất tiện người xe Do cần phải có tham gia điều khiển để giảm thời gian bị rung lắc mức cho phép b Đặc tính giao động thân xe có điều khiển PID Hình 0.12 Sơ đồ điều khiển vịng kín hồi tiếp âm Ban đầu thông số PID chế độ mặc định, khâu tỉ lệ Kp=1, khâu vi phân Kd=1, khâu tích phân Ki=1 56 Hình 0.12.Các thơng số ban đầu hệ điều khiển vịng kín Khi ta biểu đồ giao động thân xe: Hình 0.13.Biên độ giao động chưa hiệu chỉnh hệ số điều khiển Nhận xét: Như có khác biệt so với chưa có điều khiển PID, nhiên với thông số mặc định giao động có chiều hướng ngày gia tăng, cần điều chỉnh thơng số điều khiển 57 Điều chỉnh hệ số khâu vi phân 𝑻𝒅 Lần lượt điều chỉnh tăng giá trị 𝑇𝑑 lên 15,30,50, 100 ta có biểu đồ: Hình 0.14.Biên độ giao động thay đổi giá trị 𝑇𝑑 Nhận xét: Ban đầu độ vọt lố giảm, thời gian đáp ứng giảm dần, giá trị lớn giảm độ vọt lố, lại làm chậm đáp ứng độ sau dẫn đến ổn định khuếch đại nhiễu tín hiệu phép vi phân sai số Như ta nên chọn số Kd khoảng 10 đến 50, tiếp tục số khác nhằm giảm thời gian đáp ứng Điều chỉnh hệ số khâu tỉ lệ Kp Lần lượt tăng giá trị Kp từ lên 100,200,500 ta biểu đồ: Hình 0.15.Biên độ giao động thay đổi giá trị Kp 58 Nhận xét: Khâu tỉ lệ Kp giúp giảm độ vọt lố đáp ứng nhanh lại làm tăng sai số theo thời gian, giao động lớn tăng giá trị Kp Như cần hiệu chỉnh thông số khác để tiếp tục giảm giao động Điều chỉnh hệ số khâu tích phân 𝑻𝒊 Lần lượt điều chỉnh hệ số 𝑇𝑖 từ lên 50,100,150,250: Hình 0.16.Biên độ giao động thay đổi giá trị 𝑇𝑖 Nhận xét: Giá trị lớn kéo theo sai số ổn định bị khử nhanh Đổi lại độ vọt lố lớn: sai số âm tích phân suốt đáp ứng độ phải triệt tiêu tích phân sai số dương trước tiến tới trạng thái ổn định Như khâu tích phân Ki giúp giảm thời gian đáp ứng đáng kể Hệ thống giảm độ rung Điều chỉnh đồng thời hệ số 𝑲𝒑 , 𝑻𝒊 , 𝑻𝒅 Sau biết đặc điểm khâu tỉ lệ, điều chỉnh lúc hệ số để đến hệ thống điều khiển tối ưu Sau nhiều lần thực điều chỉnh, tìm hệ số tương đối tối ưu 𝐾𝑝 =500, 𝑇𝑑 =10, 𝑇𝑖 =150, kết biểu diễn sau: 59 Hình 0.17 Biên độ giao động thay đổi giá trị Kp, Ki, Kd Nhận xét: Thời gian đáp ứng giảm rõ rệt so với chưa có điều khiển, từ 35s xuống khoảng 11s Độ vọt lố đảm bảo không cao, thời gian xác lập nhanh Hệ thống mức chấp nhận Thơng qua khảo sát biểu đồ đặc tính ta khẳng định điều khiển đáp ứng tốt yêu cầu thực tế Hệ thống treo ô tô hệ thống có ứng dụng cao thực tế, việc đảm bảo chất lượng hệ thống cần thiết, việc thiết kế hệ thống treo ô tô hệ hở đáp ứng yêu cầu chất lượng hệ thống Thiết kế hệ thống hệ kín có hồi tiếp điều gần bắt buộc, điều khiển PID áp ứng tương đối tốt yêu cầu chất lượng Việc lựa chọn thông số cho PID cần mô tính tốn phần mềm Bài nghiên cứu mơ thiết kế PID tảng sở để nâng cao chất lượng điều khiển phương pháp nâng cao 60 KẾT LUẬN Thơng qua việc nghiên cứu, từ việc tìm hiểu đặc điểm ứng dụng hệ thống điện như: hệ thống treo, động điện chiều kích từ song song, nam châm vĩnh cửu tập lớn chúng em đạt số kết như: Tìm hiểu tổng quan động điện chiều nói chung động động điện chiều kích song song, động điện nam châm vĩnh cửu, hệ thống treo ô tô Phân tích đặc điểm vật lý hệ thống, từ hiểu đại lượng đầu đầu vào hệ thống Đồng thời, chúng em học tập biết thêm phương pháp khảo sát sử dụng biểu đồ Bond graph thông qua phần mềm 20-sim Từ đưa đánh giá đặc tính hệ thống thiết kế điều khiển phù hợp cho hệ thống Để tiếp tục phát triển thêm đề tài, chúng em có vài hướng phát triển thời gian tới như: tiếp tục nâng cao chất lượng điều khiển nhiều điều khiển phương pháp khác nhau, tiếp tục nghiên cứu hệ thống khác không dừng lại hệ thống treo động điện chiều Đề tài nghiên cứu có giá trị tham khảo áp dụng học phần công việc liên quan sau Kết thúc báo cáo tập lớn, lần em xin cảm ơn thầy cô môn đặc biệt thầy giáo mơn TS Phan Đình Hiếu hướng dẫn chúng em học phần này, trình học tập nghiên cứu tập khơng thể tránh khỏi sai sót, chúng em mong thầy người đọc có đóng góp ý kiến để báo cáo chúng em hoàn thiện 61 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ môn điện tử, Đề cương giảng mơn mơ hình hóa mô hệ thống điện tử, ĐHCNHN [2] Nguyễn Cơng Hiền, Phạm Thị Thục Anh, Mơ hình hóa hệ thống mô phỏng, NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 [3] H T Hồng, Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống, ĐHBK TPHCM, 2012 Tiếng Anh [4] S Das, Mechatronics modeling and simulation using Bond Graphs, CRC press, 2009 62 ... Bond Graph hệ thống điều khiển động điện chiều - Quan hệ nhân phần tử hệ thống Hình 2.4 : Quan hệ nhân phần tử hệ thống 2.5 Xây dựng hệ thống điều khiển động điện chiều  Bộ điều khiển P 37 - Bộ... Ứng dụng động điện nam châm vĩnh cửu 34 Hình 2.3: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động điện chiều 41 Hình 2.4 : Quan hệ nhân phần tử hệ thống .41 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống hở ... động điện chiều 3.2 Phân tích vật lí hệ thống 3.2.1 Phân tích vật lý hệ thống treo xe bus Hình 3.2 Mơ hình hệ thống treo xe bus Hệ thống treo xe bus hệ gồm có nhiều điểm, mà vị trí vận tốc phần tử