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

Các thông số của động cơ như sau: - Điện cảm phần ứng L: 1.10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.7 Ω - Hệ số cản b = 6.710−3Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1Nms2/rad - Hệ số momen K= 0.3Yêu cầ

BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Tổng quan về động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cử và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

1.1.1 Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu là gì? Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều. Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

1.1.2 Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu

 Trong thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu được chia thành 2 loại chủ yếu dưới đây:

 Động cơ nam châm vĩnh cửu có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài nghìn MW Cuộn kích từ được cuốn theo 1 cực ẩn hoặc cực lồi.

 Động cơ nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ Hiện nay còn có 1 loại động cơ đặc biệt: động cơ bước, hay còn gọi là step motor.

 Theo kết cấu thì có thể chia thành:

 Máy điện đồng bộ cực ẩn: Thích hợp với những chiếc máy điện có tốc độ cao (Thường có số cực là 2p = 2)

 Máy điện đồng bộ có cực lồi: Thích hợp với những máy có tốc độ thấp (Thường có số cực là 2p ≥ 4).

 Theo chức năng, máy điện đồng bộ lại được chia thành:

 Máy phát điện đồng bộ: Sử dụng tua bin nước, tua bin hơi hoặc là động cơ diezen…giúp kéo trục Rotor để phát ra điện.

 Động cơ điện đồng bộ: Thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và kéo được các tải ít có yêu cầu điều chỉnh lại tốc độ hay khởi động lại.

 Máy bù đồng bộ: Được dùng chủ yếu để cải thiện hệ số Cosφ bên trong lưới điện.

Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt như: máy đồng bộ tần số cao, máy biến đổi 1 phần ứng, các máy đồng bộ công suất nhỏ thường dùng trong các thiết bị tự động, các thiết bị điều khiển, chẳng hạn như: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước, động cơ đồng bộ phản kháng…

1.1.3 Cấu tạo của động cơ nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:

 Stator: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có thể là nam châm điện.

 Rotor: Là phần quay được, nó chính là lõi được quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện.

 Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.

Hình 1-1:Động cơ điện nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt

 Cổ góp (còn được gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay).

1.1.4 Nguyên lí hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu

Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnh lưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

Hình 1-3:Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều

Hình 1-2:Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài thì động cơ này sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này sẽ tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng. Dòng điện chạy qua động cơ sẽ được tính theo công thức sau:

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được sẽ tính bằng:

1.1.5 Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu

 Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao trên rotor.

 Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí.

 Không gây nhiễu khi hoạt động.

 Dải tốc độ rộng Những ưu điểm và nhược điểm củ

 Mật độ công suất lớn.

 Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).

 Mô men điều khiển được ở vị trí bằng không.

 Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.

 Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo có giá thành cao.

 Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ.

Dưới đây là ưu và nhược điểm của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu sử dụng chổi than và không sử dụng chổi than: Động cơ chổi than Động cơ không chổi than Ưu điểm

- Cấu tạo đơn giản không cần bộ điều khiển riêng biệt cho động cơ như động cơ không chổi than.

- Bật tắt đơn giản với một công tắc

- Chi phí ban đầu rẻ.

Hiệu suất cao 85-90%, vận hành nhẹ nhàng, êm ái dù ở vận tốc thấp hay cao.

- Do được kích từ nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt, đồng thời giảm hao tốn năng lượng.

- Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.

- Tiết kiệm được chi phí bảo trì, thay thế chổi than và vành trượt

- Độ bền động cơ thấp hơn.

- Năng lượng thất thoát nhiều do sự ma sát giữ chổi than và roto khiến mài mòn cuộn dây.

- Phải thay thế bàn chải (chổi than) đã mòn sau một thời gian sử dụng.

- Giá thành cao hơn, khó phổ biến trên nhiều sản phẩm.

 Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc, cũng như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cách nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể.

 Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả.

 Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,

Xây dụng phương trình mô tả động cơ điện một chiều bằng phương pháp vật lý

1.2.1 Phân tích vật lý mô hình hệ thống động cơ điện một chiều

Hình 1-4:Mô hình động cơ DC

Các thông số hệ thống:

 Hệ số cản b = 6.7 10 −3 Nms/rad

 Momen quán tính J= 0.1 Nms 2 / rad

 Tín hiệu vào: Điện áp V

 Tín hiệu ra: Xác định vị trí (θ).

1.2.2 Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình không gian trạng thái:

Xây dựng hàm truyền của hệ thống

Phương trình vi phân: Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:

Ta có: e(t) = K d θ ( t ) dt (Suất điện động phần ứng của động cơ)

 V =L I ˙ + R.I + K θ ˙ (theo hàm thời gian) (2.3) Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:

2 θ ( t ) d t 2 với T(t) = K I(t) (2.4) Nên ta có: K.I = J θ ¨ + b θ ˙ (theo hàm thời gian) (2.5)

 M t =0 vì hệ thống động cơ quay không tải.

Phương trình hàm truyền của hệ thống: Đầu vào là điện cảm ứng V(s), đầu ra là góc quay θ

J L s 3 +(b L+J R) s 2 +(b R+K 2 )s 1.2.3 Xây dựng phương trình không gian trạng thái:

Chọn đặt các biến trạng thái θ ( góc quay ), θ ˙ ( vận tốc quay ), I (dòng diện) Với tín hiệu đầu vào của hệ thống là điện áp V và tín hiệu đầu ra của hệ thống là góc quay ( θ ¿.

J.θ˙ Phương trình biểu diễn các biến trạng thái dθ dt= ˙θ (2.8) d 2 θ dt =−b

Ta có phương trình không gian trạng thái: d dt [ θ θ I ˙ ˙ ] = [ 0 0 0 −K − 1 J L b − K 0 J L R ] * [ θ θ I ˙ ] + [ V 0 0 L ] (2.11) y= [ 1 0 0 ][ θ θ ˙ I ] (2.12)

Xây dựng biểu đồ bondgraph

1.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.

Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào (V), điện trở phần ứng (R) và điện cảm phần ứng (L) Bên còn lại chứa các thành phần quán tính (J) và hệ số cản (b).

Hình 1-5: Biều đồ Bond Graph của động cơ DC Nam châm vĩnh cửu

- Se: Điện áp đặt vào mô hình

- I(L) : Phần tử cảm kháng của cuộn cảm phần ứng

- R(R): Phần tử trở kháng của điện trở phần ứng

- GY: Con quay hồi chuyển(Phần tử chuyển đổi từ điện sang cơ)

- I(J): Phần tử cảm kháng của momen quán tính

- R(b): Phần tử trở kháng-ma sát

Việc xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điểu khiểu động cơ điện một chiều bao gồm:

+ Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V.

Vì vậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph. Sau đó, Se chia sẻ cùng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điện trở phần ứng) Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để kết nối hai thành phần trên với nguồn e

+ Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) được sử dụng như là một liên kết giữa một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí.

+ Phần tử GY mô tả mối quan hệ giữa góc của động cơ ( θ M ) với suất điện động (VM) (mechanical flow and electrical effort) và dòng điện (IM) với mô men quay (TM) (electrical flow and mechanical effort).

+ Bên phía cơ khí, do tải bên trong bao gồm quán tính và ma sát quay Do đó, hai thành phần này được liên kết với GY thông qua liên kết 1 (Junction 1).

1.3.2 3.2 Hệ thống điều khiển Điều khiển trạng thái của hệ thống rất quan trọng trong hệ thống thực tế Một hệ thống dù được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (Feedback) của nó hay đầu ra của hệ thống (Output) không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả là làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (Input) Bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (Feedback control), trong đó đáp ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (Error Detector) trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả Đáp ứng của hệ thống được so sánh với đầu vào (Input) để đạt được sai số. Tín hiệu sai số được sử dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn.

Hình 1-6: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển có phản hồi

Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào để giảm thiểu sai số Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng bộ điểu khiển PID PID là viết tắt của proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) và derivative (vi phân) Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số ( error function) Ưu điểm của bộ điều khiển PID so với các bộ điều khiển tích phân, vi phần, tỷ lệ… là có thể giảm sai số xác lập đến giá trị tối thiểu nhất, han chế độ giao động, giảm thời gian xác lập và độ vọt lố bởi vì bộ điều khiển có thể thay đổi, lựa chọn được các thông số Kp, Ki, Kd một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng ổn định của hệ thống.

Cấu trúc của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu được sử dụng và sơ đồ Bond Graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện được thể hiện qua hình dưới đây:

Hình 1-7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ

Hình 1-8: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID

Biểu đồ trên biểu diễn, tín hiệu về vị trí động cơ được tính toán thông qua khâu tích phân từ tín hiệu tốc độ được xuất ra trước đó, Sau đó so sánh với giá trị đặt (Input) Sự sai lệch khi so sánh 2 giá trị đó dẽ được đưa vào bộ điều khiển PID.PID xử lý và gửi lại tín hiệu điều khiển về Mse để điều khiển động cơ.

Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống sử dụng phần mềm 20-sim

1.4.1 Mô phỏng và đánh giá đặc tính góc quay của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu

- Đặc tính góc quay của mô hình:

Hình 1-9:Bảng thông số của hệ thống với góc đặt là 45 độ

Vì đầu ra tại junction 1 thứ 2 là vận tốc Lấy nguyên hàm của vận tốc ta có góc quay theo yêu cầu bài toán

Hình 1-10:Biểu đồ Bond graph

Hình 1-11:Đặc tính góc quay của hệ thống

Như hình trên ta thấy với góc đặt là 45 độ đáp ứng t nhận được tỉ lệ thuận với thời gian, không ổn định và động cơ sẽ không dừng lại với giá trị yêu cầu Bài toán đặt ra đường đặc tính của góc thực tế phải sát với góc đặt Như vậy cần thiết kế hệ thống với bộ điều khiển phản hồi phù hợp với yêu cầu bài toán.

1.4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển:

- Khảo sát đặt tính góc quay của hệ thống theo 4 bộ điều khiển: P, PD, PI, PID

Hình 1-12:Sơ đồ bộ điều khiển P

+ Biểu đồ Bond với bộ điều khiển P:

Hình 1-13:Hệ thống với bộ điểu khiển P

+ Khảo sát đáp ứng với Kp = 0.1 , 0.75 , 2

Hình 1-14:Đáp ứng hệ thống Kp = 0,1

Với Kp=0.1 đáp ứng nhận về với thời gian xác lập chậm, độ vọt lố thấp

Hình 1-15:Đáp ứng hệ thống Kp = 0.75

Với Kp=0,75 đáp ứng có độ vọt lố , thời gian xác lập nhanh hớn so với Kp

=0,1 Cần thay đổi khảo sát để đánh giá độ vọt lố.

Hình 1-16:Đáp ứng hệ thống Kp = 2

Với Kp = 2 độ vọt lố rất cao , thời gian xác lập thấp hơn Kp = 0.75

 Với Kp tăng thì độ vọt lố tăng cao, ngược lại Kp giảm thời gian xác lập giảm Cho nên chúng ta chọn Kp =0.75 là thống số ổn định nhất sau 3 lần khảo sát trên

Biểu đồ Bond graph với bộ điều khiển KD:

Với Kp ổn định ở bộ điểu khiển P, ta chọn Kp = 0.75 Ta khảo sát bộ điều khiển PD với KD lần lượt là 0.2, 0.7 ,0.5

Hình 1-17:Đáp ứng hệ thống với Kd= 0.2

Hình 1-18:Đáp ứng hệ thống Kd = 0.7

Hình 1-19:Đáp ứng hệ thống Kd = 1.5

+ Với Kd = 0.2 độ vọt lố cao thời gian xác lập chậm tương ứng với hệ thống ổn định chậm

+ Với Kd = 0.7 đáp ứng của hệ thống tương đối ổn định + Với Kd = 1.5 đáp ứng của hệ thống xác lập chậm, và không ổn định Khảo sát đáp ứng 3 giá trị trên với bộ điều khiển PD Dễ thấy hệ thống ổn định với Kd = 0,7

Hình 1-20:Sơ đồ khối bộ điều khiển Ki

Hình 1-21:Biểu đồ Bond bộ điều khiển PI

Với Kp ổn định ở bộ điểu khiển P, ta chọn Kp = 0.75 Ta khảo sát bộ điều khiển PD với KD lần lượt là 30,20,1

Hình 1-22:Đáp ứng hệ thống với Ki= 30

Hình 1-23:Đáp ứng hệ thông Ki = 20

Hình 1-24:Đáp ứng hệ thống Ki =1

+ Với Ki = 30 và 20 độ vọt lố cao thời gian xác lập chậm tương ứng với hệ thống ổn định chậm, đường đáp ứng theo thời gian sát với đường đặt của góc quay

+ Với Ki = 1 đáp ứng của hệ thống xác lập chậm, và rất không ổn định, giao động liên tục

 Khảo sát đáp ứng 3 giá trị trên với bộ điều khiển Pi Dễ thấy hệ thống ổn định với Ki = 30

Hình 1-25:Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ PID

Hình 1-26:Biểu đồ bond của hệ thống sử dụng bộ PID

Do bộ điều khiển PID có tính kế thừa đối với các bộ điều khiển P, PI, PD, ta sẽ lựa chọn các thông số: Kp =0.75, Ki 0 Kd = 0.7 ta được đáp ứng hệ thống theo yêu cầu của bài toán Tín hiệu điều khiển tốt: không có độ vọt lố, giá trị xác lập,thời gian ổn định ngắn.

Hình 1-27:Đáp ứng hệ thống Kp = 0,75, Ki = 30, Kd =0,7 1.4.3 Kết luận chung

Phương pháp điều khiển PID hệ thống đầy đủ Chúng ta có thể đáp ứng được yêu cầu của bài toán bằng cách thay đổi các hệ số Kd, Ki, Kp của bộ điều khiển. Bằng cách khảo sát và lựa chọn lần lượt các hệ số đó và mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-sim để đánh giá chất lượng của hệ thống: độ vọt lố, thời gian xác lập, tính ổn định của hệ thống…

Kinh nghiệm và bài học thu được: Củng cố lại các kiến thức bộ môn Mô hình hóa và mô phỏng Nắm được cách mô hình hóa hệ thống, khảo sát hệ thống, thiết kế được bộ điều kiển PID Biết cách sử dụng phần mền 20 - SIM trong việc vẽ biểu đồ Bond, khảo sát, mô phỏng và thiết kế hệ thống và khai thác đồ thị trên 20 -SIM.

BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TRÊN XE BUS

Tổng quan về hệ thống điều khiển hệ treo của xe bus

Trong những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam có những bước phát triển vượt bậc, đời sống nhân dân được nâng cao, cơ sở hạ tầng được đổi mới khang trang, đồng thời chính phủ tích cực đầu tư vào quy hoạch và xây dựng hệ thống giao thông vận tải đã khiến xe bus và các loại phương tiện vận tải công cộng không còn là xa lạ với đời sống người dân So với các nước phát triển, thì ngành kỹ thuật ô tô ở Việt Nam vẫn còn nhiều thiếu sót và cần thời gian để lĩnh hội và làm chủ các ứng dụng công nghệ tiên tiến về phương tiện công cộng Do vậy việc nghiên cứu tìm hiểu về ô tô là cần thiết, đó là cơ sở để các nhà máy sản xuất, các nhà nhập khẩu kiểm định chất lượng xe khi xuất và nhập cũng như là đảm bảo trải nghiệm tốt nhất cho người sử dụng.

Khi xe chuyển động trên đường, có rất nhiều yếu tố tác động như: tải trọng,lực cản chuyển động, điều kiện mặt đường… những yếu tố này luôn thay đổi gây ảnh hưởng không nhỏ tới quá trình chuyển động của xe; gây chuyển động mất ổn định, làm giảm tuổi thọ của xe và đặc biệt là không an toàn cho người ngồi trên xe.Với yêu cầu ngày càng cao về công nghệ vận tải thì tính tiện nghi của ô tô phải ngày càng được hoàn thiện hơn, đặc biệt là tính ‘êm’ khi chuyển động để tạo cảm giác thoải mái khi ngồi trên xe của người dùng được đặt lên hàng đầu Một trong những nghiên cứu hiện thực được những yêu cầu đó chính là nghiên cứu về hệ thống treo trên ô tô.

2.1.2 Khái niệm về hệ thống treo trên ô tô

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng của xe ô tô, chúng quyết định cảm giác lái của xe êm ái hay xóc nảy, ổn định hay không ổn định Nói một cách dễ hiểu đây là bộ phận đóng vai trò trong việc chuyển động của toàn bộ thân xe, đặc biệt khi xe di chuyển qua những cung đường gồ ghề.

Hệ thống treo dùng để kết nối đàn hồi khung hoặc vỏ ô tô với các cầu Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống treo là giúp ô tô chuyển động êm dịu khi đi qua các mặt đường không bằng phẳng Ngoài ra hệ thống treo còn dùng để truyền các lực và mômen từ bánh xe lên khung hoặc vỏ xe, đảm bảo đúng động học bánh xe.

Hình 2-28:Hệ thống treo 2.1.3 Cấu tạo hệ thống treo trên ô tô

Một hệ thống treo cơ bản sở hữu 3 bộ phận chính, bao gồm: Đàn hồi, giảm chấn và dẫn hướng. a Bộ phận đàn hồi:

Bộ phận đàn hồi trên các ô tô hiện nay khá đa dạng như: Lá nhíp, lò xo, thanh xoắn hay khí nén trên các mẫu xe hạng sang Chúng đều có tác dụng tạo điều kiện cho dao động của bánh xe theo phương thẳng đứng, đảm bảo độ êm của xe khi vận hành.

Hình 2-29:Bộ phận đàn hồi

Bộ phận này làm nhiệm vụ hấp thụ những tác động từ mặt đường, giảm nhẹ ảnh hưởng lên khung xe, tạo điều kiện cho bánh xe dao động Bộ phận đàn hồi sẽ nâng đỡ toàn bộ trọng lượng của chiếc xe, giúp xe di chuyển êm ái, không gây khó chịu cho người ngồi bên trong Bộ phận đàn hồi có nhiều dạng như sau:

 Nhíp: đóng vai trò của cả ba bộ phận trong hệ thống treo, có khả năng chịu tải cao nhưng độ êm dịu thấp (sử dụng chủ yếu trên xe tải).

 Nhíp: thường sử dụng trên những chiếc xe tải vì chúng chịu được tải cao nhưng độ êm dịu thấp

 Lò xo: thường sử dụng trên xe con nhờ công nghệ đơn giản, độ êm dịu tốt tuy nhiên khó bố trí

 Thanh xoắn: được sử dụng trên nhiều dòng xe con, công nghệ chế tạo phức tạp nhưng bù lại dễ bố trí, độ êm dịu cũng tốt

 Khí nén: thường sử dụng trên những chiếc xe hơi hạng sang, xe tải hoặc xe bus

 Cao su: dạng này ít gặp nhất trong tất cả các dạng của bộ phận đàn hồi

Có tác dụng dập tắt dao động của bánh xe và thân xe để đảm bảo cho bánh xe bám đường tốt hơn, tăng tính êm dịu và ổn định của xe.

Bộ phận giảm chấn có 2 loại:

Hình 2-30:Bộ phận giảm chấn

 Giảm chấn thủy lực: Đa số các dòng xe hiện nay sử dụng loại giảm chấn này Chúng lợi dụng ma sát giữa các lớp dầu lỏng để dập tắt dao động. Trong giảm chấn thủy lực cũng được chia ra làm 2 loại nhỏ là giảm chấn dạng ống và giảm chấn dạng đòn.

 Giảm chấn ma sát: Thông qua ma sát giữa các lá nhíp để giảm chấn cho xe Loại này không được sử dụng nhiều vì tính ổn định không cao.

Phần lớn các xe hiện nay đều sử dụng giảm chấn thủy lực gồm một hệ thống piston và xi-lanh Ngoài ra, số ít các xe sử dụng giảm chấn cơ là các lá nhíp Bộ phận này giúp triệt tiêu dao động của bánh xe và thân xe để đảm bảo cho bánh xe bám đường tốt, giúp xe không bị rung lắc mạnh. b B ộ phận dẫn hướng

Hình 2-31:Bộ phận dẫn hướng Đúng như tên gọi, bộ phận này chịu trách nhiệm dẫn hướng, giữ cho xe dao động trong mặt phẳng thẳng đứng, chạy đúng tính chất chuyển động đối với khung vỏ xe giúp cho xe di chuyển ổn định, đầm chắc và êm mượt Ngoài ra, bộ phận này còn có chức năng tiếp nhận và truyền lực, momen giữa bánh xe và phần khung vỏ của xe.

Có 2 kiểu dẫn hướng chính là dùng nhíp (đối với xe tải) và dùng các cơ cấu tay đòn (xe con) Và tương ứng với việc bố trí và sắp xếp các tay đòn mà hãng sản xuất sẽ tạo ra những kiểu hệ thống treo khác nhau như hệ thống treo MacPherson, hệ thống treo tay đòn kép (double wishbone), hệ thống treo đa liên kết (multi-link)

2.1.4 Các loại hệ thống treo trên ô tô a Hệ thống treo phụ thuộc

Hình 2-32:Hệ thống treo phụ thuộc Ở hệ thống này, các bánh xe được nối trên 1 dầm cầu liền, các chi tiết hệ thống treo sẽ nối dầm cầu với thân xe Cái tên “phụ thuộc” cũng xuất phát từ đó, vì ở hệ thống này, dao động của hai bánh xe ảnh hưởng và phụ thuộc lẫn nhau Các kiểu hệ thống treo phụ thuộc có thể kể đến là treo liên kết Satchell, liên kết Watt, nhíp lá,… Đây là một mô hình hệ thống treo đơn giản, đặc điểm của nó là có độ bền rất cao do đó phù hợp với loại xe tải trọng lớn Tuy nhiên nếu xe không tải bất kì cái gì thì hệ thống này lại trở nên khá cứng nhắc và không êm dịu, dễ bị rung động. b Hệ thống treo độc lập

Khác với hệ thống treo phụ thuộc, ở hệ thống này, các bánh xe được gắn với thân xe một cách “độc lập” với nhau Qua đó, hai đầu bánh xe có thể chuyển động riêng lẻ, dịch chuyển tự do mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau Nhờ vậy, các dao động từ mặt đường lên khung vỏ xe có thể được kiểm soát tốt hơn.

Xây dụng phương trình mô tả hệ treo bằng phương pháp vật lý

2.2.1 Mô hình hóa hệ thống:

M∗d 2 ¿¿ (3.1) Phương pháp phân tích lực:

+ Tọa độ (x,y) được hướng như hình khi: x 1 =0 ; x 2 =0

+ Hệ đứng yên ở trạng thái cân bằng(tĩnh) (cho phép trọng lượng được phép bỏ qua).

+ Giả sử cả lò xo và giảm chấn (damper), đều tuyến tính.

+ Ta chọn chiều dương theo hướng x 1 và x 2 như hình vẽ (chiều tích cực). Phân tích m 1 ta tưởng tượng m 2 cố định:

Fd 1 =− b 1 ( x ˙ 1 − ˙ x 2 ) (3.3) Áp dụng định luật II Newton, có:

↔ m 1 x ¨ 1 =− b 1 ( x ˙ 1 − ˙ x 2 ) − k 1 ( x 1 − x 2 ) + u Phân tích m 2 ta tưởng tượng m 1 và mặt đất cố định.

Fd 2 =−b 2( x ˙ 2 − ˙ w ) (3.6) Áp dụng định luật II Newton, có:

Từ hình trên và định luật Newton, chúng ta có thể có được các phương trình động như sau: m 1 x ¨ 1 =− b 1 ( x ˙ 1 − ˙ x 2 ) − k 1 ( x 1 − x 2 ) + u m 2 x ¨ 2 =b 1( x ˙ 1 − ˙ x 2 ) +k 1 ( x 1 − x 2 ) +b 2 ( w ˙ − ˙ x 2 ) +k 2 ( w− x 2 ) – u (3.9)

Giả sử rằng tất cả các điều kiện ban đầu là số không, vì vậy các phương trình này đại diện cho tình huống khi bánh xe buýt đi lên một vết sưng Các phương trình động ở trên có thể được biểu diễn dưới dạng các hàm truyền bằng cách lấy Laplace Transform của các phương trình trên Đạo hàm từ các phương trình trên của hàm truyền G1(s) và G2(s) của đầu ra, x 1 - x 2 và hai đầu vào, u và w, như sau:

Tìm nghịch đảo của ma trận A và sau đó bội với các đầu vào u(s) và w(s) ở phía bên phải như sau:

Khi chúng ta chỉ muốn xem xét đầu vào điều khiển u(s), chúng ta đặt w(s) =

0 Do đó, chúng ta có được hàm truyền G1(s) như sau:

Khi chúng ta chỉ muốn xem xét các đầu vào nhiễu (w), chúng ta đặt u(s) = 0.

Do đó, chúng ta có được hàm truyền G2 (s) như sau:

Từ vấn đề chính, các phương trình động ở dạng không gian trạng thái như sau

Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ

2.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Hình 2-36:Biểu đồ bond của hệ thống

+ Se: trọng lượng do thân xe và bánh xe đặt vào

+ b1, b2: Hệ số cản hệ ttreo

+ Sf: nhiễu đặt vào hệ thống

+ v1 và v2 là vận tốc khi hệ giao động

2.3.2 Hệ thống điều khiển Điều khiển trạng thái của hệ thống rất quan trọng trong hệ thống thực tế Một hệ thống dù được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (Feedback) của nó hay đầu ra của hệ thống (Output) không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả là làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (Input) Bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (Feedback control), trong đó đáp ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (Error Detector) trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả Đáp ứng của hệ thống được so sánh với đầu vào (Input) để đạt được sai số. Tín hiệu sai số được sử dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn.

Hình 2-37:Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển có phản hồi

Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào để giảm thiểu sai số Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng bộ điểu khiển PID PID là viết tắt của proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) và derivative (vi phân) Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số ( error function) Ưu điểm của bộ điều khiển PID so với các bộ điều khiển tích phân, vi phần, tỷ lệ… là có thể giảm sai số xác lập đến giá trị tối thiểu nhất, han chế độ giao động, giảm thời gian xác lập và độ vọt lố bởi vì bộ điều khiển có thể thay đổi, lựa chọn được các thông số Kp, Ki, Kd một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng ổn định của hệ thống.

Cấu trúc của hệ thống điều khiển được sử dụng và sơ đồ Bond Graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện được thể hiện qua hình dưới đây:

Các phần tử trong hệ thống:

+ Khối chức năng gồm: bộ điều khiển (controller) và mạch điện điều khiển

+ Bộ tổng: giúp tính số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi.

+ Giá trị đặt: là giá trị mong muốn trong quá trình điều khiển.

+ Giá trị phản hồi: là giá trị hiển thị sau khi thực hiện quá trình điều khiển

Hình 2-38:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 2-39:Bond graph của hệ thống sử dụng bộ diều khiển PID

Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim

2.4.1 Nhập các thông số đầu vào cho từng phần tử

+ Hệ thống giao động với nhiễu là xung sin biên độ 1 và tốc độ góc 1 rad/s

+ Khối lượng thân xe: 1500kg

+ Khối lượng bánh xe: 320kg

+ Hệ số cản hệ treo b1: 350Ns/m

+ Hệ số cản hệ treo b2: 15020Ns/m

+ Mg1\ effort: trọng lực của thân xe tác động lên hệ thống

+ Mg2\ effort: trọng lực của bánh xe tác động lên hệ thống

Hình 2-40:Thông số của hệ thống

2.4.2 Mô phỏng đánh giá hệ thống

Biểu đồ thể hiện đặc tính dao động của thân xe (BodyMass):Với bộ giá trị PID lần lượt là Kp = 1, Ki = 1, Kd = 1;

Với bộ giá trị mặc định trên đáp ứng của hệ thống có chất lượng chưa tốt, sai lệch lớn độ vọt lố cao Hệ thống không ổn định và cần điều chỉnh thông số của bộ PID

Với giá trị của bộ tham số thay đổi Kp = 1000, Ki = 100, Kd = 200 đáp ứng dần ổn định theo thời gian sai số giữa thực tế và mong muốn đần thu hẹp, độ vọt lố cao, thời gian xác lập chậm.

Với giá trị của bộ tham số thay đổi Kp = 4000, Ki = 2000, Kd = 2000 đáp ứng dần ổn định theo thời gian sai số giữa thực tế và mong muốn đần thu hẹp, độ vọt lố giảm.

Hình 2-42:Đáp ứng của hệ thống khi Kp = 1000, Ki = 100, Kd = 200

Hình 2-43:Đáp ứng của hệ thống khi Kp = 4000, Ki = 2000, Kd = 2000

BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC

Tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược

Con lắc ngược là con lắc có trọng tâm cao hơn so với trục quay của nó Con lắc ngược không ổn định và nếu không có sự tác động hỗ trợ thì nó sẽ bị đổ xuống ngay Con lắc ngược thường được thực hiện với điểm quay được gắn trên xe đẩy hoặc một vật khác thể di chuyển theo chiều ngang dưới sự điều khiển của hệ thống động cơ servo và được thường được gọi là mô hình con lắc ngược.

Nó có thể được giữ cân bằng ở vị trí đảo ngược bằng cách sử dụng một hệ thống điều khiển để theo dõi góc nghiêng và di chuyển trục quay của con lắc theo phương ngang sao cho trọng tâm của con lắc có điểm rơi luôn đi qua trục quay

Hệ con lắc ngược được chọn như một hệ điển hình cho việc thiết kế hệ Cơ điện tử Nó là một hệ cơ bản trong lĩnh vực điều khiển Nó được dùng rất hiệu quả để tìm hiểu về các khái niệm và thuật toán trong điều khiển hệ tuyến tính như điều khiển ổn định cho một hệ không ổn định Bằng cách sử dụng bài toán con lắc ngược, nhiều thuật toán điều khiển có thể được thực hiện và so sánh Như điều khiển theo miền tần số, điều khiến không gian trạng thái, điều khiển tối ưụ, điều khiển thích nghi hay điều khiển mờ Bởi vì hệ là phi tuyến , nó cũng hiệu quả trong việc mô hình hóa các ý tưởng về điều khiển phi tuyến Hơn nữa việc chế tạo mô hình thí nghiệm cũng không quá phức tạp, vì vậy nó có thể được thiết kế để dùng trong các phòng thí nghiệm và thực hành về hệ thống điều khiển

Hình 3-44:Một số mô hình con lắc ngược

Phần cơ khí: gồm 1 cây kim loại (thanh con lắc) quay quanh 1 trục thẳng đứng Thanh con lắc được gắn gián tiếp vào một xe (xe con lắc) thông qua một encoder để đo góc Trên chiếc xe có 1 encoder khác để xác định vị trí chiếc xe đang di chuyển Do trong quá trình vận hành chiếc xe sẽ chạy tới lui với tốc độ cao để lấy mẫu nên phần cơ khí cần phải được tính toán thiết kế chính xác, chắc chắn nhằm tránh gây nhiễu và hư hỏng trong quá trình vận hành. Điện tử: gồm cảm biến đo vị trí xe và góc con lắc, mạch khuếch đại công suất

(cầu H) và mạch điều khiển trung tâm Cảm biến được sử dụng trong đề tài là encoder quay có độ phân giải cao Tín hiệu từ encoder sẽ được truyền về bộ điều khiển thông qua khối eQEP (Enhanced Quadrature Encorder Pulse) của card DSP (bộ điều khiển trung tâm) Tùy thuộc vào tín hiệu đọc đƣợc từ các encoder mà DSP đƣợc lập trình để xuất tínhiệu ngõ ra điều khiển động cơ DC qua một mạch khuếch đại công suất (mạch cầu H)

Chương trình: chương trình điều khiển hệ con lắc ngược được viết trên phần mềm Matlab/Simulink thông qua CCS (Code Composer Studio) Tốc độ điều khiển hệ thống thực phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ xử lí và tần số lấy mẫu của bộ điều khiển trung tâm

Trong thực tế, nhiều mô hình có dạng con lắc ngược như nhà cao tầng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển, Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các công trình ngày càng lớn về chiều cao Sự gia tăng về quy mô kết cấu sẽ dẫn đến các đáp ứng động lực phức tạp của kết cấu và sẽ sinh ra các dao động Các dao động này ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc, làm giảm độ bền của công trình Vì vậy nghiên cứu các dao động này làm giảm dao động có hại là vấn đề đang được quan tâm Các kết quả và quy luật của hệ chuyển động con lắc ngược thu được sẽ tiếp tục sử dụng cho việc nghiên cứu, phân tích, tính toán, thiết kế tối ưu hóa các thông số cảu bộ hấp thụ các dao động để giảm dao động cho các công trình có dạng hệ con lắc ngược tốt nhất

Hệ con lắc ngược có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như việc điều khiển cân bằng cho một biple-robot, điều khiển duy trì quỹ đạo của hệ thống tên lửa-tàu vũ trụ, hay đơn giản là điều khiển cân bằng cho một tay máy (Manipulator).

Trong xe tự cân bằng

Xe tự cân bằng là 1 ứng dụng điển hình nhất của hệ con lắc ngược , nó giúp xe có thể giữ thăng bằng chỉ với 2 bánh.

Trong tên lửa-tàu vũ trụ

Hình 3-46:Ứng dụng trong tên lửa-tàu vũ trụ

Hệ con lắc ngược giúp cho tên lửa-tàu vũ trụ di chuyển theo đúng quỹ đạo mà con người đã lập trình sẵn.

Hình 3-45:Xe tự cân bằng

Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc

Các thông số của hệ thống con lắc ngược

Hình 3-47:Hệ thống con lắc ngược

- Khối lượng thân xe: 0.6kg

- Khối lượng con lắc: 0.2kg

- Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2

- Hệ số ma sát của xe : 0.1N/m/s

3.2.1 Phương trình mô tả hệ thống con lắc

Các phương trình chuyển động có thể suy ra bằng cách sử dụng phương trình Lagrange loại 2 theo công thức: d dt ( ∂ ∂T q ˙ i − ∂ P ∂ q ˙ i ) − ∂ T ∂ q i + ∂ P ∂ q i = Q i ¿

Các tham số của hệ thống con lắc ngược như sau:

+ x – khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục y

+ 𝜃 – góc quay của con lắc so với trục thẳng đứng Động năng của xe:

Khoảng cách từ tâm con lắc tới điểm gắn con lắc với thân xe là l= L 2

Vị trí của tâm con lắc: x G = x−lsinθ (2.2) y G =lcosθ (2.3)

Từ (2.2) và (2.3) suy ra vận tốc của con lắc chuyển động tịch tiến: x ˙ G = ˙ x − l θ cosθ ˙ (2.4) y ˙ G =−l θ sinθ ˙ (2.5) Động năng của con lắc chuyển động phức tạp:

Từ (2.4) và (2.5) ta thay vào (2.6) được:

Từ (2.1) và (2.6) ta có tổng động năng của hệ con lắc ngược:

Hình 3-48:Phân tích mô tả hệ con lắc d dt ( ∂ T ∂ x ˙ ) =( M + m ) ¨ x − ml θ cosθ ¨ + ml θ ˙ 2 sinθ (2.10)

∂θ˙=−mlx cosθ˙ +Jθ˙+ml 2 θ˙ (2.11) d dt ( ∂ T ∂ θ ˙ ) =− ml x cosθ ¨ + ml x ˙ θ sinθ ˙ + ml 2 θ ¨ + J θ ¨ (2.12)

Chọn gốc là điểm treo con lắc trên xe nên thế năng của hệ bằng thế năng của con lắc:

Lực tổng quát ở xe bao gồm lực phát động và lực ma sát với mặt đường:

Tổng hợp các phương trình từ (2.9) đến (2.18) thay vào phương trình Lagrange loại 2 ta được:

{ ( M ( + J m + ml ) x−ml ¨ 2 ) θ ¨ − θ cosθ+ ¨ ml x cosθ ¨ ml − θ ˙ 2 mglsinθ sinθ=F = −b 0 x ˙ (2.19)

3.2.2 Tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến, xây dựng hàm truyền và không gian trạng thái của hệ thống tuyến tính Để tuyến tính hóa hệ thống ta giả sử góc 𝜃 nhỏ (0 ≤ 𝜃 ≤ 0,35 rad) để có thể coi xấp xỉ: sin𝜃 ≈ 𝜃, cos𝜃 ≈ 1, θ ˙ 2 ≈ 0 Ta được phương trình tuyến tính hóa hệ thống như sau:

Thực hiện biến đổi Laplace của hệ phương trình với giả sử điều kiện ban đầu bằng không Ta được kết quả như sau:

{ ( M mlX + m ( s ) X ) s 2 ( − s ) s ( J 2 −mlθ + ml 2 ) (s θ (s ) s ) 2 =U s 2 − mglθ( ( s)−bX s)=0 ( s) s (2.21)

Giải phương trình thứ 2 của hệ (2.21) ta được:

Thay (2.22) vào phương trình thứ nhất của hệ (2.21) ta được:

( M +m )( J + ml ml 2 − s g 2 ) θ ( s ) s 2 − mlθ( s) s 2 =U ( s)−b ( J + ml ml 2 − s g 2 ) θ (s ) s (2.23)

Sắp xếp lại ta được: θ(s)

Rút gọn (2.24) ta được phương trình hàm truyền hệ thống mô tả đầu ra 𝜃(s) và đầu vào U(s): θ(s)

Các phương trình tuyến tính hóa cũng có thể được biểu diễn dưới dạng không gian trạng thái:

[ θ θ x x ˙ ¨ ˙ ¨ ] = [ 0 0 0 0 −b( − J bml 1 q 0 q + ml 2 ) mgl m ( 2 M 0 q 0 q g l + 2 m ) 1 0 1 0 ] [ x x θ θ ˙ ˙ ] + [ J + ml 0 q 0 q m l 2 ] F (2.27) y=[ 0 0 1 0 ][ θ θ x x ˙ ˙ ] (2.28) Ở đây, q =( M + m )( J + ml 2 )− m 2 l 2

Xây dựng biểu đồ bond graph

Hình 3-49:Biểu đồ Bond của Hệ thống

Chi tiết các khối trong biểu đồ Bond:

+ Lực quán tính của xe đẩy và con lắc được biểu diễn bằng các phần tử Imx, Imy, Ij, IM.

+ Lực ma sát giữa xe và mặt đường được biểu diễn bằng phần tử R + Các vận tốc trong hệ thống được biểu diễn bằng 1-junction C

+ Các quan hệ động học giữa vận tốc được mô hình hóa bằng cách sử dụng bằng cách sử dụng phần tử MTF và 0-junction

+ MSe, Se là các ngoại lực tác động vào hệ thống trọng lực của con lắc và lực F tác động đầu vào

+ Sf là vận tốc phát động.

*Rút gọn biểu đồ Bondgraph:

+ Loại bỏ các phần tử sau: FBx, Fby vì con lắc chỉ chịu ngoại lực F duy nhất theo phương ngang vào xe.

+ Loại bỏ Sf và 1-junction biểu diễn vận tốc của mặt đất vì xe chỉ di chuyển theo chiều ngang và mặt đất không chuyển động.

Hình 3-50:Biểu đồ Bond sau khi rút gọn

3.3.2 Hệ thống điều khiển con lắc ngược Điều khiển trạng thái của hệ thống rất quan trọng trong hệ thống thực tế Một hệ thống dù được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (Feedback) của nó hay đầu ra của hệ thống (Output) không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả là làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (Input) Bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (Feedback control), trong đó đáp ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (Error Detector) trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả Đáp ứng của hệ thống được so sánh với đầu vào (Input) để đạt được sai số. Tín hiệu sai số được sử dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn.

Hình 3-51:Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển có phản hồi

Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào để giảm thiểu sai số Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng bộ điểu khiển PID PID là viết tắt của proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) và derivative (vi phân) Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số ( error function) Ưu điểm của bộ điều khiển PID so với các bộ điều khiển tích phân, vi phần, tỷ lệ… là có thể giảm sai số xác lập đến giá trị tối thiểu nhất, han chế độ giao động, giảm thời gian xác lập và độ vọt lố bởi vì bộ điều khiển có thể thay đổi, lựa chọn được các thông số Kp, Ki, Kd một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng ổn định của hệ thống.

Cấu trúc của hệ thống điều khiển con lắc được sử dụng và sơ đồ Bond Graph mô tả hệ thống điều khiển con lắc được thể hiện qua hình dưới đây:

Hình 3-52:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển con lắc

Hình 3-53:Biểu đồ Bond Graph xây dựng hệ thống điều khiển vòng kín

Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm 20-sim

3.4.1 Đánh giá đặc tính hệ hở

Hình 3-54:Bond graph với hệ hở

Hình 3-55:Thông số hệ thống

Hình 3-56:Thông số khối Cos với chiều dài thanh =0.3m

Hình 3-57:Thông số khối Sin với chiều dài thanh =0.3m

Hình 3-58:Thông số khối tích phân với initial tương ứng với góc lệch bạn đầu của con lắc

Hình 3-59:Đáp ứng của hệ hở

Như biểu đồ trên, đáp ứng của hệ cho ra đáp ứng dao động liên tục, theo thời gian biên độ giao động càng nhỏ, tương ứng với góc nghiêng của con lắc dao động về 1 hướng tăng giảm liên tục Như vậy cần thiết kế bộ điều khiển để tối ưu đáp ứng hệ thống

3.4.2 Mô phỏng và đánh giá đặc tính của hệ thống điều khiển vòng kín

Với thống số bộ PID Kp =1, Ki = 1, Kd =1 Tín hiệu ra mong muốn của góc nghiêng là 0

Hình 3-60:Đáp ứng hệ thống khí Kp = 1, Kd = 1, Ki =1 Đáp ứng nhận được không hề ổn định sai số xác lập lớn, độ vọt lố cao, biên độ dao động lớn

Với thống số bộ PID Kp @0, Ki = 10, Kd % Tín hiệu ra mong muốn của góc nghiêng là 0

Hình 3-61:Đáp ứng hệ thống với góc ban đầu là 1 rad

Hình 3-62:Đáp ứng hệ thống với góc ban đầu là 2 rad

Hình 3-63:Đáp ứng hệ thống với góc ban đùa là 4 rad

+ Với thông số của bộ PID Kp@0, Ki, Kd % đáp ứng nhận được cho ra độ ổn định khác nhau.

+ với góc ban đầu lệch càng gần 0 thì độ ổn định hệ thống sẽ nhanh hơn, độ vọt lố cũng như thời gian xác lập nhỏ.

 Như vậy việc chọn góc ban đầu để đặt được độ ổn định tốt nhất là rất quan trọng

Nhóm đã xây dựng được các phương trình mô tả hệ con lắc ngược, biểu đồBond Graph mô tả và điều khiển con lắc trên phần mềm 20-sim Việc điều khiển vòng kín có phản hồi sử dụng bộ điều khiển PID thích hợp việc điều khiển góc nghiêng của con lắc Bài tập lớn sẽ hoàn thiện hơn nếu được bổ sung mô phỏng chuyển động thực của con lắc ngược trên phần mềm đồ họa của 20-sim Đề tài có thể được các thành viên trong nhóm áp dụng và cải tiến trong các môn học đồ án thực tế, bài tập lớn tiếp theo như Đồ án Cơ điện tử, Đồ án Tốt nghiệp…

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

Bài tập của môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử về động cơ điện một chiều kích từ song song và động cơ điện kích từ nối tiếp giúp sinh viên hiểu về cách hoạt động của động cơ điện một chiều nói chung và động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp nói riêng trên góc độ phân tích

Khi tìm hiều và giải quyết những vấn đề đặt ra trong yêu cầu của bài tập chúng em đã xây dựng dược phương trình trạng thái mô tả động cơ điện một chiều, đồng thời thiết kế và xây dựng biểu đồ bond graph bằng phần mềm 20-sim để thực hiện mô phỏng. Đồng thời nhóm chúng em cũng tìm hiểu và nắm được nguyên lý cũng như cách tiến hành mô phỏng hệ thống treo trên xe ô tô để trang bị và củng cố kiến thức mình đã nắm được xuyên suốt học phần Mô Hình Hoá và Mô Phỏng Hệ Thống Cơ Điện Tử.

Bộ điều khiển PID được sử dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển với tín hiệu cần ổn định là góc quay cảu động cơ Khảo sát sự phụ thuộc của góc quay khi điện áp phần ứng thay đổi thông qua chọn các tham số của bộ điều khiển PID Biết cách lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển PID

Cạnh đó củng cố lại kiển thức môn lí thuyết điều khiển và cơ cấu chấp hành và điều khiển Đồng thời, tích lũy được những kiến thức quan trọng để phục vụ cho việc học tập những học phần có liên quan, đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp sau này.

Báo cáo đề tài này là sự cố gắng nghiên cứu của 4 thành viên của nhóm em cùng với sự giảng dạy của Th.S Lê Ngọc Duy qua đó em đã nắm bắt được cách tổ chức nghiên cứu và nắm bắt được những nội dung quan trọng của đề tài này để viết được một báo cáo đầy đủ và chi tiết Có thể không thể tránh được những thiếu sót nhỏ, nhóm em kính mong các thầy cô chỉ bảo để nhóm hoàn thiện hơn và tự tin hơn trong quá trình học tập và làm việc của mình sau này Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn.