BÀI TẬP MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa BÀI TẬP MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa BÀI TẬP MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

(BM01) PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ……………… Khóa: ……………… Tên nhóm: ……………… 3.Họ tên thành viên: ……………… ……………… ……………… 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: 1.10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω - Hệ số cản b = 6.610−3 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 thơng số động 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 Hình Hình 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 - Mơ 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 thơng số lắc sau: - Khối lượng thân xe: 0.5kg - Khối lượng lắc: 0.2kg - 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 mô 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 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú ThS Lê Ngọc Duy CHƯƠNG 2: Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ treo Hình P Phương trình vi phân mô tả: x1 Xét M 1: F k , Fb Fk F k +⃗ Fb Định luật newton: M ⃗a (t )=⃗ Chiếu lên chiều cđ: M 1= F k 1+ F b  M1 d 2x d t =−b ¿- M1 dx )−k ¿) ds (1) Fb1 Hình Xét M 2: ĐL2N: M      F k1  F b1  F k  F b 2 ⃗ a Chiếu theo chiều cđ: M F F M d2x d t a  F K  k2 b2  k 1( x  F b1  F K  F b1 x) b 2( w  x ) k 2( w  2 x )  b ( x x)  k 1 2 (w  x )  b ( w  x)(2) 2 LL(1)(2)=> M * s * x (s) k * x (s)  k * x (s)  b *(s)* x (s)  b *( s)* x ( s) 1 1 2 1 M * s * x (s)  k1*x 2(s)k1*x1(s)b *(s)* x (s)  b *(s)* x (s)  k * w(s)  k * x (s)  b * S *W (s)  b * S * X (s)(5) 2 2 1 2 2 2 M * S 7* X 1(S ) K 1 * x2 *( s)  K * x1*( s)  b1 * S * x2*( s)  B * S * x1*( s) U ( s) u M2 X2 ¿> M S x ( S )=−k x ( s ) + k x ( s )−B S X ( S ) +B S x1 ( s ) +k w ( S )−k x ( s ) + B2 Sw ( s )−B2 S x2 ( s )−U ( s ) ¿>U ( s ) =M S2 x ( s )−k x ( s )+ k x ( s )−B1 S x ( s ) + B1 S x ( s ) Ta có: ( k 2+ B2 S ) w ( s )= M S x ( s )−k ( x ( s )−x ( s ) ) + B1 S ( x ( s )−x ( s ) ) +k x ( s ) + B2 S x ( s )+ U ( s ) ¿ A = B.C => Bt A = Bt.B.C =>Bt A = C M s2 ∆=det A=( M S +k + B1 S )( M S +1 ) + ( k +B S ) k +B S x (S ) ¿>C= = x2 ( S ) Δ [ ] [ M s 2+ k + B1 S−( k 1−B1 S) U ( s) M s2 W ( s) M S +1 k B2 S ][ ] CHƯƠNG 3: Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo hệ thống điều khiển hệ treo xe bus *Bond Se Se 1 I1 I1 (M ) C1 R1 (k) C1 R1 I2 (k) C C2 R2 R2 (B) ( M 2) I2 Q1: PT cung cấp: 1 e 1=u e 7=k 2∫ f 7=k 2∗q ( t) f = P P2 F=¿ ∫ edt= ¿ ∫ m m f 2= f 8= m P4 m e 9=B∗f e 5=B∗f Q2: Bon2: e1 = e2 + e3 u(t) = e2 + e3 => e2 = u(t) – e3 P2 f1 = f2 = f3 = m1 Bon3: e3 = e4 = e5 = e6 = B*f5 f3 = f4 + f5 + f6 P2 P = m + f5 + f6 m1 Bon6: e6 = e7 + e8 + e9 B*f5 = k2*q7 + e8 + B*f9 P8 f6 = f7 = f8 = f9 = m2 { => e 2=Ut−B1 f P2 P4 P8 = + f 5+ m m1 m2 e 8=B f 5−k q 7−B e 7=k 2.q P8 m2 Biều đồ bond gồm phần tử: I:biểu thị cho vật R: thành phần giảm chấn C: biểu diễn cho độ cứng lò xo Msf: input Hình 3.1 Biểu đồ bond mơ 20sim Thiết kế hệ thống điều khiển Kiểm soát trạng thái hệ thống điều cần thiết quan trọng hệ thống thực tế Bất kể hệ thống thiết kế tốt nào, phản hồi (system output) khơng phải lúc xác mong muốn mong đợi Ngồi ra, nhiễu động bên ngồi ảnh hưởng đến hệ thống; trạng thái nó,vì thay đổi so với mong muốn Do đó, cần phải kiểm soát hệ thống điều chỉnh trạng thái hệ thống cách thay đổi đầu vào để sản lượng mong muốn đạt Có số kỹ thuật điều khiển đơn giản, chẳng hạn điều khiển “bang-bang” (ON / OFF), sử dụng hạn chế Công nghệ tiếng hữu ích kiểm sốt phản hồi, nơi phản hồi hệ thống giám sát so sánh với phản hồi dự kiến, lỗi phản hồi sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt kết mong muốn đáp ứng hệ thống bị trừ khỏi điểm đặt để có sai số Tín hiệu lỗi sử dụng thuật toán điều khiển để xác định đầu vào hệ thống đưa vào kết phản hồi điều chỉnh để đạt đầu Hình 3.2 hình minh họa hệ thống điều khiển hồi tiếp cho thấy sơ đồ điều khiển phản hồi chuyển tiếp hệ thống Các nhà thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng số thước đo khác hiệu suất hệ thống Các phương pháp bao gồm:       Tính ổn định: Tình trạng rối loạn ban đầu nhanh chóng chết Tốc độ: Hệ thống cần phản ứng nhanh chóng Độ nhạy: Độ nhạy hệ thống tiếng ồn phải thấp để kiểm sốt đầu vào phải cao Độ xác: Sai số phải thấp Khớp nối động: Giảm khớp nối biến hệ thống Hình 3.3 hình ảnh minh họa hệ thống điều khiển Trong tất thuật toán điều khiển phản hồi, đầu thực tế đưa trở lại hệ thống điều khiển để đo lỗi (sự khác biệt dự kiến đầu thực tế) tính tốn đo lỗi sử dụng để đặt thay đổi đầu vào cần thiết để giảm thiểu lỗi Hơn 90% tất chiến điều khiển xoay quanh việc sử dụng kiểm soát PID số hình thức PID viết tắt điều khiển tỷ lệ, tích phân đạo hàm Hình 3.4 hệ thống có điều khiển PD Lúc ta có thêm điều khiển PD tín hiệu xác lập mong muốn (constant) tín hiệu điều khiển U (Mse) MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH DAO ĐỘNG CỦA THÂN XE Mô phần mềm 20-SIM Hệ thống chưa có điều khiển: Hình 4.5 biểu đồ bond hệ thống Nhập thông số phần tử vào phần mềm 20sim:  Khối lượng thân xe: 2500 (kg)  Khối lượng bánh xe: 320 (kg)  Độ cứng hệ treo K1 : 80000 (N/m)  Độ cứng lốp xe K2 : 500000 (N/m)  Hệ số cản hệ treo b1 : 350 (Ns/m)  Hệ số cản hệ treo b2 : 15020 (Ns/m)  Lực tác động có độ lớn = 100 (N), bắt đầu t=1(s) kết thúc t=2(s) Hình 4.6 Hình ảnh nhập liệu mơ 20sim Hình 4.7 hình ảnh mô dao động hệ thống Nhận xét: Từ ảnh mô trên, ta thấy lực tác động vào bánh xe 100N vị trí thân xe tăng vọt lên 12,5 sau giảm dần sau khoảng thời gian 40s.thời gian dao động thân lâu biên độ dao động lớn Hệ thống có điều khiển PD: Hình 4.8 Hệ thống có điều khiển PD Nhập liệu vào phần mềm: Ta chọn :Kp=200; tauD=1s Hình 4.9 nhập thông số vào phần mềm Kết mô phỏng: cho thấy biên độ thân xe giảm xuống 12, với Kp=200,tauD=1s model X1 10 -5 10 20 30 time {s} 40 50 60 Hình 4.10 Hình ảnh mơ dao động thân xe Với Kp=900, tauD=13 biên độ thân xe giảm xuống dao động thân xe giảm dần vị trí model X1 10 -5 10 20 30 time {s} Hình 4.11 hình ảnh mơ 20sim 40 50 60 Chương 2: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC Biểu đồ bond cho động Hình 12 Biểu đồ Bond Graph cho động điện chiều  Trong phần tử: -  I-L: Điện cảm phần ứng R-R: Điện trở phần ứng GY: phần tử chuyển đổi lượng từ hệ điện sang hệ cơ: Tốc độ mơ-men xoắn khơng đổi Vì hệ chuyển đổi từ điện sang nên cịn có thêm số thành phần:  - R-Rotational damping: Giảm chấn quay - I-Rotational inertia: Quán tính quay Sau thiết lập bond graph nhóm em bắt đầu bước rút gọn gán thêm effort flow cho bond graph -  Phần tử V vị trí A khơng có phần tử tiêu thụ nên gộp lại với Do 0-J-1 khơng có phần tử liên kết nên rút gọn gộp 1-J-1 với 1-J-2 Bên cạnh phần tử se1 suất điện động tham gia vào việc chuyển đổi phần tử GY Dựa vào biểu đồ nhóm em đưa quan hệ effort flow: - f1 = f2 = f3 = f4: dòng điện phần ứng động f5 = f6 = f7: tốc độ động e1 = e2 + e3 + e4 với : • e1: điện áp đầu vào • e2: điện áp cuộn cảm • e3: điện áp điện trở • e4: suất điện động động e5 = e6 + e7 với: • e5: momen quay động • e6: momen giảm xóc quay • e7: momen qn tính động  Cơng thức chuyển đổi phần tử GY có dạng: e (t )=M f 1( t) Và: (3.1) e (t)=M f 2(t)  (3.2) Do động biến đổi điện thành nên có mối liên hệ: T =MI E=Mω (3.3) (3.4) Trong đó: • • • • • T ~ effort 2: momen xoắn (N.m) I ~ flow 1: dòng phần ứng I (A) E ~ effort 1: sức điện động phần ứng (V) ω ~ flow 2: vận tốc góc (rad/s) M = kϕ Biểu đồ Bond Graph cho xe lắc  Con lắc xe hệ nên việc xây dựng biểu đồ bond graph dựa theo bước sau đây: Hình 13 Biểu đồ bondgraph lắc xe - - Bước 1: với vận tốc khác thiết lập 1-junction Bước 2: chèn 1-port lực (mô men cho chuyển động quay) tạo phần tử cặp 1Junction cách sử dụng 0-Junction Đưa vào phần tử dung kháng trở kháng tới power bonds kết nối chúng tới 1-junctions sử dụng 0-junctions Phần tử quán tính thêm vào 1-juntions Bước 3: gán chiều công suất tới bonds Bước 4: loại bỏ tất 1-junctions có vận tốc tất bonds kết nối tới Bước 5: đơn giản hóa sử dụng nguyên tức tối giản Sau bước thực sau thực việc gán quan hệ nhân cho biều đồ Hình 14 Gán quan hệ nhân lắc Trong đó: - - - - - - f1 = f3 = f2 + f4 với: • f1, f3: vận tốc xe • f2: vận tốc lắc theo phương ngang • f4: vận tốc xe lắc theo phương ngang e1 + e2 + e4 = với: • e1, e3: lực xe tác động • e2: lực lắc • e4: lực xe lắc f5 = f6 = f7 với: • f5: vận tốc xe tác động lên lắc • f6: qn tính lắc • f7: vận tốc góc lắc e5 = e6 + e7 với: • e5: lực • e6: momen qn tính • e7: momen f8 = f9 = f10 với: • f8: vận tốc • f9: vận tốc theo phương y • f10: trọng lực e9 = e8 + e10 với: • e8: lực • e9: lực qn tính • e10: trọng lực Ngồi vài tham số chuyển đổi chuyển động động ăn khớp với bánh chuyển thành chuyển động xe: - Tí số truyền bánh chủ động với bị động: N1 =0.5 N2 (3.14) TF= =10 r (3.15) TF= - Bánh xe: Biểu đồ Bond Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID điều khiển hồi tiếp vịng kín, kết hợp điều khiển vi phân, tích phân, tỉ lệ Nó có chức điều khiển hệ thống đáp ứng nhanh, vọt lố thấp, sai số xác lập chọn thông số phù hợp  Biểu thức điều khiển PID: Miền thời gian: (3.16) Laplace: (3.17) Trong đó: - Kp: độ lợi - Ti: thời gian tích phân - Td: thời gian vi phân - e(t): sai lệch Phản hồi vòng hở hệ thống Kết hợp thành phần Bond graph động DC, xe, lắc đặt ký hiệu nhóm em đưa Bond graph hệ hở cho hệ thống hình đây: Hình 15 Bond Graph Hệ thống hở lắc ngược