báo cáo bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử đại học công nghiệp hà nội nhóm 21 bài 1 động cơ điện 1 chiều kích từ song song, bài 2 hệ thống treo,bài 3 hệ thống con lắc ngươc,sử dụng phần mềm 20 sim để mô phỏng đáp ứng đầu ra, thiết kế các bộ điều khiển p pi pd pid
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ NHÓM 21 Sinh viên thực : Giảng viên hướng dẫn: TS.Phan Đình Hiếu Khóa:16 Hà Nội – 2023 MỤC LỤC Chương 1: 1.1 Giới thiệu tổng quan .7 Tổng quan ứng dụng động điện chiều 1.1.1 Khái niệm .7 1.1.2 Cấu tạo 1.1.3 Nguyên lý hoạt động 10 1.1.4 Phân loại động điện chiều .11 1.1.5 Ưu nhược điểm động điện chiều 12 1.1.6 Ứng dụng 13 1.1.7 Hệ thống điều khiển động điện chiều .13 1.1.8 Động điện chiều kích từ song song 14 1.2 Giới thiệu tổng quan điều khiển tốc độ hệ 15 1.2.1 Điều khiển tay (trực tiếp) từ người vận hành .16 1.2.2 Phương pháp điều khiển bán tự động 16 1.2.3 Phương pháp điều khiển tự động 16 1.3 Giới thiệu tổng quan ứng dụng lắc ngược .16 1.3.1 Giới thiệu tổng quan lắc ngược .16 1.3.2 Ứng dụng lắc ngược 17 Chương 2: Sử dụng phương pháp vật lý để viết phương trình miêu tả 19 2.1 Phân tích vật lý để viết phương trình vật lý mơ tả động điện chiều kích từ song song 19 2.2 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để thiết lập phương trình mơ tả hệ treo 20 22 2.3 Phân tích vật lý để thiết lập phương trình mơ tả hệ treo 22 Chương 3: 3.1 Xây dựng biểu đồ BOND GRAPH .25 Xây dựng biểu đồ bond graph .25 3.1.1 Các bước xây dựng biểu đồ bond graph hệ thống điện 25 3.1.2 Các bước xây dựng bond graph hệ thống 25 3.1.3 Xây dựng bond graph cho động điện chiều kích từ song song 25 3.1.4 Xây dựng biểu đồ bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ .27 3.1.5 Xây dựng biểu đồ bond graph cho lắc ngược .29 Chương 4: Mô đánh giá 33 4.1 Mô đánh giá đặc tính tốc độ động điện chiều kích từ song song 33 4.1.1 Khảo sát hệ thống chưa thiết lập điều khiển 33 4.1.2 Ta khảo sát hệ thống thêm điều khiển P PI PID với góc mong muốn 2000rad 36 4.2 Mô đánh giá đặc tính hệ thống điều khiển tốc độ hệ 44 4.2.1 Khảo sát hệ thống với điều khiển PID 44 4.2.2 Khảo sát hệ thống lắp thêm giảm chấn 47 4.3 Mô đánh giá đặc tính góc nghiêng lắc 49 4.3.1 Khi chưa có điều khiển 49 4.3.2 Ta khảo sát hệ thêm điều khiển P PI PD PID với góc mong muốn rad góc ban đầu 0.1 rad 51 Kết luận .57 DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1-1: Động điện chiều Hình 1-2:Stator máy điện chiều Hình 1-3:Cực từ Hình 1-4:Rotor động điện chiều Hình 1-5:Lõi sắt phần ứng 10 Hình 1-6:Nguyên lý hoạt động động điện chiều .11 Hình 1-7:Động điện chiều kích từ độc lập 12 Hình 1-8:Động điện chiều kích từ song song 12 Hình 1-9:Động điện chiều kích từ nối tiếp 12 Hình 1-10:Động điện chiều kích từ song song 14 Hình 1-11:Mơ hình lắc ngược 17 Hình 1-12:Xe tự cân 18 Hình 1-13:Tàu vũ trụ tên lửa 18 Hình 2-1:Sơ đồ điện chiều kích từ song song 19 Hình 2-2: Hệ thống điều tốc độ hệ 20 Hình 3-1:Bước xây dựng bond động điện chiều kích từ song song 25 Hình 3-2:Các điện khác mạch song song 26 Hình 3-3:Bước 2+3 xây dựng bond graph động điện chiều kích từ song song 26 Hình 3-4: Bước 4+5 xây dựng động điện chiều kích từ song song 26 Hình 3-5: Biểu đồ bond graph động điện chiều kích từ song song 27 Hình 3-6: Biểu đồ bond graph để khảo sát góc the-ta .27 Hình 3-7: Hệ thống điều khiển tốc độ hệ .27 Hình 3-8: Bước xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ 28 Hình 3-9: Bước xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ 28 Hình 3-10: Bước xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ 29 Hình 3-11: Bước xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ 29 Hình 3-12: Bước xây dựng bond graph cho hệ thống điều khiển tốc độ hệ 29 Hình 3-13: Bước xây dựng bond graph xây dựng lắc ngược 30 Hình 3-14: Bước 2+3 xây dựng bond graph xây dựng lắc ngược .30 Hình 3-15: Bước 4+5 xây dựng bond xây dựng lắc ngược .30 Hình 3-16: Biểu đồ bond graph lắc ngược 31 Hình 4-1: Thơng số động điện chiều kích từ song song 34 Hình 4-2: Đồ thị vận tốc góc quay động chưa có tải 34 Hình 4-3: Biểu đồ bond graph động điện chiều kích từ song song có thêm tải trọng .35 Hình 4-4: Đồ thị vận tốc góc quay động có tải 35 Hình 4-5: Khảo sát hệ thống với điều khiển P .36 Hình 4-6: Đồ thị Kp=5 36 Hình 4-7: Biểu đồ Kp=0.5 37 Hình 4-8: Đồ thị Kp=10 37 Hình 4-9: Bond graph động điện chiều kích từ song song khảo sát điều khiển PI 38 Hình 4-10: Đồ thị tauI=50 38 Hình 4-11: Đồ thị tauI=10s 39 Hình 4-12: Đồ thị tauI=150s .39 Hình 4-13: Bond graph động điện chiều kích từ song song khảo sát điều khiển PD 40 Hình 4-14: Đồ thị tauD=1s 41 Hình 4-15: Đồ thị tauD=10s .41 Hình 4-16: Đồ thị tauD=0.5s 42 Hình 4-17: Khảo sát với điều khiển PID 43 Hình 4-18: Đồ thị với Kp=10, tauI=150s, tauD=0.5s 43 Hình 4-19: Khảo sát hệ thống với điều khiển PID .44 Hình 4-20: Các thơng số ban đầu khảo sát với điều khiển PID 45 Hình 4-21: Đồ thị thay đổi Kp=0.1 .45 Hình 4-22: Đồ thị thay đổi Kp=1 46 Hình 4-23: Đồ thị thay đổi Kp=2 46 Hình 4-24: Khảo sát hệ thống lắp thêm giảm chấn .47 Hình 4-25: Thơng số hệ thống với giảm chấn 47 Hình 4-26: Đồ thị vận tốc vật M2 lắp thêm giảm chấn .48 Hình 4-27: Biểu đồ bond graph thêm khối tích phân 48 Hình 4-28: Biểu đồ đặc tính vận tốc M2 49 Hình 4-29: Biểu đồ bond graph chưa có điều khiển .49 Hình 4-30: Thơng số ban đầu lắc 50 Hình 4-31: Đồ thị góc theta 50 Hình 4-32: Đồ thị góc theta giảm V=10V 50 Hình 4-33: Bond graph lắc khảo sát điều khiển P 51 Hình 4-34: Đồ thị góc theta Kp=50 51 Hình 4-35: Đồ thị góc theta Kp=20 52 Hình 4-36: Đồ thị góc theta Kp=100 52 Hình 4-37: Con lắc ngược khảo sát với điều khiển PI 53 Hình 4-38: Đồ thị góc theta tauI=50s 53 Hình 4-39: Đồ thị góc theta giảm tauI=10s 53 Hình 4-40: Đồ thị góc theta tauI=100s 54 Hình 4-41: Bond graph lắc ngược khảo sát điều khiển PD .54 Hình 4-42: Đồ thị góc theta tauD=1s 55 Hình 4-43: Đồ thị góc theta giảm tauD=0.1s 55 Hình 4-44: Đồ thị góc theta tăng tauD=10s 55 Hình 4-45: Bond graph lắc ngược khảo sát điều khiển PID 56 Hình 4-46: Đồ thị góc theta Kp=500, tauI=50s, tauD=1s 56 Chương 1: 1.1 Giới thiệu tổng quan Tổng quan ứng dụng động điện chiều 1.1.1 Khái niệm Động chiều DC (DC từ viết tắt Direct Current Motors) loại động điện sử dụng dòng điện chiều để tạo chuyển động quay Động điện chiều hoạt động dựa ngun lý lực Lorentz, dịng điện chạy qua dây dẫn nằm từ trường chịu tác dụng lực điện từ 1.1.2 Cấu tạo Động điện chiều phân thành hai phần chính: Phần tĩnh (Stator) Phần động (Rotor) 1.1.1 Hình 1-1: Động điện chiều 1.1.2.1 Phần tĩnh 1.1.2 Hình 1-2:Stator máy điện chiều Hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường gồm có: a) 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 b) 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 c) 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 d) Các phận khác: 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 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 1.1.2.2 Phần động – rotor: Rotor phận quan trọng động điện máy phát điện, có vai trị tạo chuyển động quay.Bao gồm phận sau Hình 1-4:Rotor động điện chiều a) 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 b) 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 Hình 1-5:Lõi sắt phần ứng 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 c) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất vài Kw thường dùng dây có tiết diện trịn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay bakelit d) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp dễ dàng 1.1.3 Nguyên lý hoạt động Khi cấp điện áp chiều Uư vào mạch phần ứng, dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dịng điện Iư nằm từ trường ϕ stator sinh chịu lực F