Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng Haui nhóm 14

Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu như hình 1. Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2. Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ;

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - MƠN HỌC MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS Lê Ngọc Duy Nguyễn Thành Long Đặng Đình Luân Cao Phan Lương Hà Nội - 2022 (BM01) PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ……………… Khóa: K15 Tên nhóm: 14 3.Họ tên thành viên: Nguyễn Thành Long Đặng Đình Luân Cao Phan Lương NỘI DUNG HỌC TẬP Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động điện chiều nam châm vĩnh cửu hình Và mạch phần ứng động điện chiều hình Trong đó: R tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 góc quay động cơ; u tín hiệu điều khiển động Các thông số động sau: - Điện cảm phần ứng L: 10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω - Hệ số cản b = 7.6 10−3 Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠 /𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 0.3 Hình Hình Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan ứng dụng động chiều nam châm vĩnh cửu hệ thống điều khiển động điện chiều - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả động điện chiều - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều - Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều sử dụng phần mềm 20-sim Bài số Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus mơ hình hệ thống treo xe bus hình Trong đó: u tín hiệu điều khiển hệ thống treo Các thông số động sau: - Khối lượng thân xe: 2500kg - Khối lượng bánh xe: 320kg - Độ cứng hệ treo K1 : 60000N/m - Độ cứng lốp xe K2 : 400000N/m - Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m - Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m Hình Hình 2 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan ứng dụng hệ thống treo xe ôtô - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ treo - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo hệ thống điều khiển hệ treo xe bus - Mô đánh giá đặc tính giao động thân xe sử dụng phần mềm 20-sim Bài số Cho cấu trúc hệ thống điều khiển lắc hình lắc hình Trong đó: Trong đó: R tín hiệu đặt góc nghiêng lắc; 𝜃 góc nghieng lắc; u tín hiệu điều khiển Các thông số lắc sau: - Khối lượng thân xe: 0.6kg - Khối lượng lắc: 0.1kg - Chiều dài lắc : 0.3m - Moomen quán tính lắc : 0.006kg*m2 - Hệ số ma sát xe : 0.1N/m/s Hình Hình Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan ứng dụng lắc ngược - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ lắc - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả lắc hệ thống điều khiển hệ lắc - Mô đánh giá đặc tính góc nghiêng lắc sử dụng phần mềm 20sim KHOA/TRUNG TÂM TS Nguyễn Anh Tú GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Lê Ngọc Duy Mục Lục Bài số 1: Hệ thống điều khiển vị trí động điện chiều nam châm vĩnh cửu 10 1.1 Tổng quan động điện chiều nam châm vĩnh cửu 10 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều 10 1.1.3 Phân loại động điện chiều 11 1.1.4 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều 11 1.1.5 Các phương pháp điều khiển động điện chiều 12 1.1.6 Ưu, nhược điểm động điện chiều 12 1.2 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả động điện chiều 13 1.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều 15 Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph: 15 1.4 Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều hệ thống điều khiển động điện chiều 18 1.4.1 Đánh giá đặc tính góc quay động 18 1.4.2 Bộ điều khiển P 19 1.4.3 Bộ điều khiển PI 21 1.1.4Bộ điều khiển PD 23 1.1.5 Bộ điều khiển PID 26 Bài số Hệ thống treo 29 2.1 Tổng quan hệ thống treo xe ô tô 29 2.1.1 Hệ thống treo xe tơ gì? 29 2.1.2 Cấu tạo hệ thống treo ô tô 29 2.1.3 Phân loại hệ thống treo ô tô 31 2.2 Phân tích vật lý hệ thống treo ô tô 33 2.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống treo 37 2.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph phần mềm 20-sim 37 2.3.2 Thiết kế hệ thống điểu khiển 38 2.4 Mơ Phỏng Và Đánh Giá Đặc Tính Dao Động Của Thân Xe 41 2.4.1 Xây dựng hệ thống chưa có điều khiển 41 Bài HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC 45 3.1 Tổng quan hệ thống lắc ngược 45 3.1.1 Giới thiệu lắc ngược 45 3.1.2 Ứng dụng lắc ngược: 45 3.1.3 Các phương pháp điều khiển hệ thống 46 3.1.4 Ý nghĩa khoa học ứng dụng 46 3.1.5 Mục đích nghiên cứu 46 3.2 Xây dựng hàm truyền hệ thống lắc ngược 47 3.3 Xây dựng sơ đồ Bond-Graph hệ phần mềm 20-Sim 50 3.3.1 Xây dựng bond graph cho lắc: 50 3.3.2 Xây dựng bond graph cho động 53 3.3.3 Xây dựng điều khiển PID 56 3.4 Mô đánh giá hệ lắc 58 3.4.1 Mô hệ lắc đáp ứng hở 58 3.4.2 Mơ hệ lắc đáp ứng vịng kín 61 Danh Mục Hình Ảnh Hình 1.1 1:Cấu tạo động điện chiều 11 Hình 1.1 2: Nguyên tắc hoạt động động điện chiều 11 Hình 1.3 Sơ đồ Bond Graph hệ thống động điện chiều 16 Hình 1.3 Sơ đồ Bond Graph xác định quan hệ nhân 17 Hình 1.4 1: Sơ đồ Bond Graph hệ thống 18 Hình 1.4 2: Thiết lập thơng số cho hệ thống 18 Hình 1.4 3: Đặc tính góc quay động 19 Hình 1.4 4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển P 19 Hình 1.4 5: Thiết lập thơng số hệ thống với điều khiển P 20 Hình 1.4 6: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều kiển P với Kp=1 20 Hình 1.4 7: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PI 21 Hình 1.4 8: Thiết lập thông số hệ thống với điều khiển PI 21 Hình 1.4 9: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều kiển PI 22 Hình 1.4 10: Thiết lập thơng số cho điều khiển với Ki = 100 22 Hình 1.4 11: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PI thay Ki=100 23 Hình 1.4 12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PD 23 Hình 1.4 13: Thiết lập thông số ban đầu cho điều khiển PD 24 Hình 1.4 14: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với thông số ban đầu 24 Hình 1.4 15: Thiết lập thơng số cho điều khiển với Kd = 0.85 25 Hình 1.4 16: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PD với KD=0.85 25 Hình 1.4 17 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PID 26 Hình 1.4 18: Thiết lập thông số ban đầu cho điều khiển PID 26 Hình 1.4 19: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID với thơng số ban đầu 27 Hình 1.4 20: Thiết lập thông số cho điều khiển PID với Kp = 1, Ki = 100, Kd = 0.85 27 Hình 1.4 21: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID 28 Hình 2.3 Biểu đồ bond mô 20sim 37 Hình 2.3 2: Hình minh họa hệ thống điều khiển hồi tiếp 38 Hình 2.3 3: Hình ảnh minh họa hệ thống điều khiển 39 Hình 2.3 4: Hệ thống có điều khiển PID 39 Hình 2.4 1: Biểu đồ bond hệ thống 41 Hình 2.4 2: Hình ảnh nhập liệu mơ 20sim 42 Hình 2.4 3: Dao động hệ thống chưa có điều khiển 42 Hình 2.4 4: Hệ thống treo có điều khiển PID 43 Hình 2.4 5: Đáp ứng hệ thống treo Kp=10000; Kd=100; Ki=5 43 Hình 2.4 6: Đáp ứng hệ thống treo thay đổi Kd=5; Ki=100 44 Hình 2.4 7: Đáp ứng hệ thống treo thay đổi Kd=0.2; Ki= 500 44 Hình 3.1 Một số mơ hình lắc ngược 45 Hình 3.1 Ứng dụng lắc ngược xe cân 46 Hình 3.2 Đặt hệ trục tọa độ cho lắc 47 Hình 3.3 Sơ đồ Bond Graph lắc 51 Hình 3.3 2Thêm quan hệ nhân cho sơ đồ Bond Graph lắc 52 Hình 3.3 Mạch điện tổng quát động 53 Hình 3.3 Sơ đồ Bond Graph động sau rút gọn 54 Hình 3.3 Thêm quan hệ nhân cho sơ đồ Bond Graph động 56 Hình 3.4 Sơ đồ Bond Graph sau kết nối với động 58 Hình 3.4 Bảng cài đặt thông số cho hệ 59 Hình 3.4 Bảng thiết lập biểu đồ 60 Hình 3.4 Kết mô hệ đáp ứng hở 60 Hình 3.4 Sơ đồ Bondgraph hệ thống đáp ứng hồi tiếp âm 61 Hình 3.4 Kết mơ hệ đáp ứng vịng kín hồi tiếp âm 62 Hình 3.4 Sơ đồ BondGraph hệ thêm điều khiển PID 62 Hình 3.4 Kết mơ hệ có PID: Kp=1, Ti=1, Td=1 63 Hình 3.4 Kết mơ hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=1 63 Hình 3.4 10 Kết mơ hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=0.5 64 3.3 Xây dựng sơ đồ Bond-Graph hệ phần mềm 20-Sim 3.3.1 Xây dựng bond graph cho lắc: Xác định tọa độ trọng tâm lắc: 𝑥𝑐𝑔 = 𝑥 − 𝑙𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑥̇ 𝑐𝑔 = 𝑥̇ − 𝑙𝜃̇ 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ⇒{ { 𝑦𝑐𝑔 = 𝑙𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑦̇𝑐𝑔 = −𝑙𝜃̇𝑠𝑖𝑛𝜃 - Bước 1: Với vận tốc khác thiết lập 1-Junction ( Các 1-Junctions vận tốc tuyệt đối hay vận tốc tương đối) - Bước 2: Chèn 1- port lực( momen cho chuyển động quay) tạo phần tử cặp 1-Junction cách sử dụng 0-junction Đưa vào phần tử dung kháng trở kháng tới power bonds kết nối chúng với 1-junctions sử dụng 0-junctions Phần tử quán tính thêm vào 1-junctions - Bước 3: Gán chiều công xuất tới bonds - Bước 4: Loại bỏ tất 1-junction có vận tốc tất bonds kết nối với - Bước 5: Đơn giản hóa sử dụng nguyên tắc tối giản 50 Hình 3.3 Sơ đồ Bond Graph lắc Tích phân đầu từ điểm nối tạo X, vị trí đỉnh lắc Bỏ qua ma sát Khối lượng lắc thực theo phương x,y bao gồm: mx my SE: trọng lực Các phương trình MTF sửa đổi sau: MTF: 𝑝1 𝑒 = 𝑙𝑐𝑜𝑠(𝜃) ∗ 𝑝2 𝑒 𝑝2 𝑓 = 𝑙𝑐𝑜𝑠(𝜃) ∗ 𝑝1 𝑓 MTF1: 𝑝1 𝑒 = −𝑙𝑠𝑖𝑛(𝜃) ∗ 𝑝2 𝑒 𝑝2 𝑓 = −𝑙𝑠𝑖𝑛(𝜃) ∗ 𝑝1 𝑓 Đầu 𝜃 góc lắc Khi 𝜃 = 0° tức lắc vị trí cân ( thẳng đứng hướng lên) Khi 𝜃 = 90° tức lắc vị trí rơi xuống (phương nằm ngang) Gắn quan hệ nhân cho hệ lắc ngược: - Bước 1: Chọn nguồn gán causal stroke theo quy định Mở rộng caulsa strocke cho đường bond liên quan nhiều có thể… - Bước 2: Lặp lại bước cho tất nguồn - Bước 3: Chọn phần tử strorage( I C), gán quan hệ nhân tích phân mở rộng cho bond lại 51 - Bước 4: Lặp lại bước cho tất phần tử Storage - Bước 5: Chọn phần tử R, giả định quan hệ nhân cho phần tử mở rộng cho bond liên quan - Bước 6: Lặp lại bước cho phần tử R lại - Bước 7: Chọn đường chưa gán quan hệ nhân mở rộng cho bond liên quan Hình 3.3 2Thêm quan hệ nhân cho sơ đồ Bond Graph lắc 52 3.3.2 Xây dựng bond graph cho động Hình 3.3 Mạch điện tổng qt động Ta có phương trình vi phân motor 𝑑𝐼 𝑉 = 𝐼 𝑅 + 𝐿 + 𝐸𝑢 𝑑𝑡 𝐸𝑢 = 𝐾Φ𝜔 𝑑𝜔 𝑀=𝐽 𝑑𝑡 𝑀 = 𝐾Φ𝐼 Biểu diễn Bond graph gồm phần: Phần điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng điện cảm phần ứng Bond graph: - Bước 1: Mỗi vị trí mạch điện mà điện khác đặt 0-junction - Bước 2: Chèn phần tử mạch “singer port” kết nối với 1- junction đường power bond; - Bước 3: Gán chiều cơng suất tới tất bond mơ hình; - Bước 4: Nếu vị trí đất xác định, xóa bỏ 0- junction tất bonds kết nối đến nó; - Bước 5: Đơn giản hóa bond graphs theo nguyên tắc 53 Sử dụng quy tắc rút gọn ta sơ đồ sau: Hình 3.3 Sơ đồ Bond Graph động sau rút gọn 54 Biểu đồ bond graph có hai phía Một bên phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng điện cảm phần ứng Bên cịn lại chứa thành phần qn tính ma sát quay Ta có mạch phần ứng động điện chiều đặt V Vì vậy, ta có phần tử nguồn e( sourse effort) – Se kết nối với Bond Graph Sau đó, Se chia sẻ dòng (flow) tới hai thành phần L( điện cảm phần ứng) R( điện trở phần ứng) Do đó, liên kết ( junction) dùng để kết nối hai thành phần với nguồn e Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) sử dụng liên kết bên phần tử điện bên cịn lại phần tử khí Phần tử GY mơ tả mối quan hệ tốc độ góc động (𝜔) với suất điện động (V) dòng điện (I) với momen quay (T) Do tải bên bao gồm qn tính ma sát quay Do đó, hai thành phần liên kết với GY thông qua liên kết junction Gắn mối quan hệ nhân cho hệ động cơ: - Bước 1: Chọn nguồn gán causal stroke theo quy định Mở rộng caulsal stroke cho đường bond liên quan nhiều có thể… - Bước 2: Lặp lại bước cho tất nguồn - Bước 3: Chọn phần tử storage ( I C), gán quan hệ nhân tích phân mở rộng cho bond lại - Bước 4: Lặp lại bước cho tất phần tử stroage - Bước 5: Chọn phần tử R, giả định quan hệ nhân cho phần tử mở rộng cho bond liên quan - Bước 6: Lặp lại bước cho phần tử R lại - Bước 7: Chọn đường tử chưa gán quan hệ nhân mở rộng cho bond liên quan 55 Hình 3.3 Thêm quan hệ nhân cho sơ đồ Bond Graph động 3.3.3 Xây dựng điều khiển PID Trong phần mềm 20-sim người ta xây dựng PID dạng nối tiếp PI PD có phương trình điều khiển sau: 𝑈 = 𝐸 (1 + ) (1 + 𝑠𝑇𝑑 ) 𝐾𝑝 𝑠𝑇𝑖 Trong đó: + U tín hiệu đầu điều khiển + E tín hiệu sai số đầu vào + 𝑇𝑖 số thời gian khâu tích phân + 𝑇𝑑 số thời gian khâu vi phân + 𝐾𝑝 số độ lợi Kp Và biểu diễn dạng sơ đồ khối sau: 56 Bảng cài đặt thông số 20-sim: 57 3.4 Mô đánh giá hệ lắc 3.4.1 Mô hệ lắc đáp ứng hở Kết hợp bond graph động bond graph hệ lắc thông qua truyền đổi TF1, TF2 ta thu bond graph sau: Hình 3.4 Sơ đồ Bond Graph sau kết nối với động TF1: Chuyển đổi tỉ số truyền cặp bánh truyền chuyển động TF2: Chuyển đổi thể khả dẫn động bánh xe • Thơng số lắc: Thơng số Ký hiệu Giá trị Khối lượng xe M 0,6 kg Khối lượng lắc m 0,1 kg Chiều dài lắc l 0,3 m Momen quán tính J1 0,006 kg*m2 g 9.8 kg.m/s2 Thơng số Kí hiệu Giá Trị Điện áp V Thay đổi liên tục Điện trở phần ứng Ru 0,8 Ω Cuộn L 0,001 H B 0,0066 N.m.s Gia trường • tốc trọng Thông số động cơ: cảm phần ứng Ma sát quay 58 Momen quán tính J 0,01 kg.m2 Hằng số momen T 0,3 Tỉ số truyền TF1 0,5 Hệ số dẫn động TF2 10 Cài đặt thông số 20-sim: Hình 3.4 Bảng cài đặt thơng số cho hệ Từ bảng thông số khai báo ta tiếp tục thiết lập biểu đồ Lấy liệu đầu từ khối Intergate( theta) để lấy biểu đồ liên quan đến góc 𝜃: 59 Hình 3.4 Bảng thiết lập biểu đồ Tiếp theo, tiến hành mơ phịng ta thu kết quả: Hình 3.4 Kết mơ hệ đáp ứng hở • Nhận xét: Con lắc ban đầu vị trí 𝜃 = xe dịch chuyển lắc rơi tự xuống vị trí theo phương ngang góc 𝜃 ≈ 1,57 𝑟𝑎𝑑 ≈ 90° Từ ta thấy để điều khiển góc cần phải có điều khiển đáp ứng vịng kín 60 3.4.2 Mơ hệ lắc đáp ứng vịng kín Từ Bond Graph đáp ứng hở ta thêm vào góc đặt 𝜃 = 𝑟𝑎𝑑 góc đặt mong muốn tương ứng với lắc thẳng đứng xe Các bước thêm vào biểu đồ Bond Graph: - Thêm cổng PlusMinus - Chuyển đổi phần tử nguồn Se thành Mse - Kết nối lại với Ta thu sơ đồ Bond- Graph đáp ứng vịng kín hồi tiếp âm sau: Hình 3.4 Sơ đồ Bondgraph hệ thống đáp ứng hồi tiếp âm Khai báo thông số cho giống với mạch hở Đặt góc đặt rad: Kết mơ phỏng: 61 Hình 3.4 Kết mơ hệ đáp ứng vịng kín hồi tiếp âm Nhận xét: - Con lắc dao động góc lớn - Con lắc không đạt mức ổn định cao có tượng dao động khiến cho đồ thị góc theta có dạng hình Sin Vì cần điều khiển để lắc ổn định Mô hệ lắc có điều khiển PID Từ Bond Graph hệ lắc đáp ứng vịng kín ta thêm điều khiển PID: Chuyển đổi phần tử Se thành Mse Ta thu sơ đồ Bond Graph sau: Hình 3.4 Sơ đồ BondGraph hệ thêm điều khiển PID • Khai báo thơng số cho phần tử • Thiết lập góc 𝜃 = 0.01 𝑟𝑎𝑑 • Thiết lập thông số cho PID lựa chọn thông số phù hợp: 62 Với Kp = 1, Ti = 1, Td =1 Ta thu kết mô phỏng: Hình 3.4 Kết mơ hệ có PID: Kp=1, Ti=1, Td=1 Nhận xét: - Dao động lắc chưa ổn đỉnh bị sai lệch - Con lắc từ từ dơi xuống Ta thực tăng Kp để tăng tính ổn định Với Kp=1000, Ti = 1, Td = Ta kết mơ phỏng: Hình 3.4 Kết mơ hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=1 Nhận xét: - Hệ có tính ổn định sau khoảng 1,7s, góc theta cân với giá trị đặt - Độ vọt lố cao cần giảm cách giảm Td Với Kp=1000, Ti = 1, Td = 0.5 Ta kết mơ phỏng: 63 Hình 3.4 10 Kết mơ hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=0.5 Nhận xét: - Góc nghiêng bám sát góc đặt ổn định từ 0,7s KẾT LUẬN Qua việc nghiên cứu mơ hình: “ Động DC, Hệ thống treo xe bus, Hệ thống lắc ngược.” Chúng em vững kiến thức cần thiết ứng dụng kiến thức vào hệ thống giao áp dụng vào hệ thống sau gặp phải Trong thời thực đề tài với tất cố gắng với hướng dẫn chu đáo nhiệt tình TS.Phan Đình Hiếu giúp chúng em giải đáp thắc mắc trình làm 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 trình học tập làm việc sau Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn − Những mặt làm được: + Đề tài nghiên cứu, xây dựng Biểu đồ Bond Graph Mô hệ thống treo xe Bus phần mềm 20-Sim + Nghiên cứu nắm bắt thêm nhiều tài liệu liên quan đến tính tốn mơ cách làm việc nhóm đưa sản phẩm + Đề tài đáp ứng mục tiêu yêu cầu đề − Những mặt chưa làm được: + Mô máy tính đạt kết tương đối + Do nhiều yêu tố khác khiến kết không đạt kết mong muốn 64