Bài tập lớn môn học 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 MƠN HỌC MƠ HÌNH HỐ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS Lê Ngọc Duy Nguyễn Thanh Tùng - 2020602168 Nguyễn Văn Xuyên – 2020605321 Nguyễn Thị Xuân - 2020601361 Phạm Thị Xuân - 2020606013 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày tháng 2022 Giáo viên hướng dẫn năm NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên chấm phản biện 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 thơng số động sau: - Điện cảm phần ứng L: 1.10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.7 Ω - Hệ số cản b = 6.710−3 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: 1500kg - Khối lượng bánh xe: 320kg - Độ cứng hệ treo K1 : 70000N/m - Độ cứng lốp xe K2 : 600000N/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 - 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: 0.2kg - 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 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 20-sim KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú ThS Lê Ngọc Duy MỤC LỤC BÀI 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Tổng quan động điện chiều nam châm vĩnh cử hệ thống điều khiển động điện chiều .6 1.1.1 Động chiều nam châm vĩnh cửu gì? 1.1.2 Phân loại động nam châm vĩnh cửu 1.1.3 Cấu tạo động nam châm vĩnh cửu .7 1.1.4 Nguyên lí hoạt động động nam châm vĩnh cửu 1.1.5 Những ưu điểm nhược điểm động nam châm vĩnh cửu .9 1.1.6 Ứng dụng 10 1.2 Xây dụng phương trình mơ tả động điện chiều phương pháp vật lý 11 1.2.1 Phân tích vật lý mơ hình hệ thống động điện chiều 11 1.2.2 Mô hình hóa hệ thống hàm truyền phương trình không gian trạng thái: 12 1.2.3 1.3 Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái: 13 Xây dựng biểu đồ bondgraph 14 1.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 14 1.3.2 3.2 Hệ thống điều khiển 15 1.4 Mô đánh giá chất lượng hệ thống sử dụng phần mềm 20-sim 17 1.4.1 Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều nam châm vĩnh cửu 17 1.4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển: 19 1.4.3 Kết luận chung 28 BÀI 2: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TREO TRÊN XE BUS 29 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển hệ treo xe bus 29 2.1.1 Giới thiệu tổng quan 29 2.1.2 Khái niệm hệ thống treo ô tô 29 2.1.3 Cấu tạo hệ thống treo ô tô 30 2.1.4 Các loại hệ thống treo ô tô 33 2.2 2.2.1 Xây dụng phương trình mơ tả hệ treo phương pháp vật lý 36 Mơ hình hóa hệ thống: 36 2.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo hệ thống điều khiển hệ treo xe bus 40 2.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph 40 2.3.2 Hệ thống điều khiển 41 2.4 Mơ đánh giá đặc tính giao động thân xe sử dụng phần mềm 20-sim 43 2.4.1 Nhập thông số đầu vào cho phần tử .43 2.4.2 Mô đánh giá hệ thống 44 BÀI 3: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC 46 3.1 Tổng quan ứng dụng lắc ngược 46 3.1.1 Giới thiệu tổng quan 46 3.1.2 Cấu tạo 47 3.1.3 Ứng dụng 47 3.2 lắc Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ 49 3.2.1 Phương trình mơ tả hệ thống lắc 49 3.2.2 Tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến, xây dựng hàm truyền không gian trạng thái hệ thống tuyến tính 51 3.3 Xây dựng biểu đồ bond graph 53 3.3.1 Biểu đồ Bond Graph 53 3.3.2 Hệ thống điều khiển lắc ngược .54 3.4 Mô đánh giá đặc tính góc nghiêng lắc sử dụng phần mềm 20-sim 57 3.4.1 Đánh giá đặc tính hệ hở 57 3.4.2 Mô đánh giá đặc tính hệ thống điều khiển vịng kín 59 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1:Động điện nam châm vĩnh cửu cịn có máy điện đồng đặc biệt Hình 1-2:Cấu tạo động điện chiều Hình 1-3:Nguyên tắc hoạt động động điện chiều .8 Hình 1-4:Mơ hình động DC .11 Hình 1-5: Biều đồ Bond Graph động DC Nam châm vĩnh cửu 14 Hình 1-6: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng điều khiển có phản hồi 16 Hình 1-7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động 16 Hình 1-8: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động sử dụng điều khiển PID 17 Hình 1-9:Bảng thơng số hệ thống với góc đặt 45 độ 17 Hình 1-10:Biểu đồ Bond graph .18 Hình 1-11:Đặc tính góc quay hệ thống 18 Hình 1-12:Sơ đồ điều khiển P 19 Hình 1-13:Hệ thống với điểu khiển P 19 Hình 1-14:Đáp ứng hệ thống Kp = 0,1 20 Hình 1-15:Đáp ứng hệ thống Kp = 0.75 20 Hình 1-16:Đáp ứng hệ thống Kp = 21 Hình 1-17:Đáp ứng hệ thống với Kd= 0.2 22 Hình 1-18:Đáp ứng hệ thống Kd = 0.7 23 Hình 1-19:Đáp ứng hệ thống Kd = 1.5 23 Hình 1-20:Sơ đồ khối điều khiển Ki 24 Hình 1-21:Biểu đồ Bond điều khiển PI 24 Hình 1-22:Đáp ứng hệ thống với Ki= 30 25 Hình 1-23:Đáp ứng hệ thông Ki = 20 .25 Hình 1-24:Đáp ứng hệ thống Ki =1 26 Hình 1-25:Sơ đồ khối hệ thống sử dụng PID .26 Hình 1-26:Biểu đồ bond hệ thống sử dụng PID 27 Hình 1-27:Đáp ứng hệ thống Kp = 0,75, Ki = 30, Kd =0,7 27 Hình 2-1:Hệ thống treo 30 Hình 2-2:Bộ phận đàn hồi .31 Hình 2-3:Bộ phận giảm chấn 32 Hình 2-4:Bộ phận dẫn hướng 33 Hình 2-5:Hệ thống treo phụ thuộc 33 Hình 2-6:Hệ thống treo MacpPherson 34 Hình 2-7:Hệ thống treo tay đòn kép .35 Hình 2-8:Hệ thống treo cân 36 Hình 2-9:Biểu đồ bond hệ thống 40 Hình 2-10:Sơ đồ khối hệ thống sử dụng điều khiển có phản hồi .41 Hình 2-11:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .42 Hình 2-12:Bond graph hệ thống sử dụng diều khiển PID 43 Hình 2-13:Thơng số hệ thống 44 Hình 2-14:Đáp ứng biểu thị dao động thân xe 44 Hình 3-48:Phân tích mô tả hệ lắc Động xe: 1 2 T 1= M v = M x˙ (2.1) 2 Khoảng cách từ tâm lắc tới điểm gắn lắc với thân xe l= Vị trí tâm lắc: x G=x−lsinθ (2.2) y G =lcosθ (2.3) Từ (2.2) (2.3) suy vận tốc lắc chuyển động tịch tiến: x˙G= x−l ˙ θ˙ cosθ (2.4) y˙G =−l θ˙ sinθ (2.5) Động lắc chuyển động phức tạp: 1 2 2 T 2= m v G + J θ˙ = M ( x˙ G + y˙ G ) + J θ˙ (2.6) 2 2 Từ (2.4) (2.5) ta thay vào (2.6) được: 1 2 T 2= m x˙ −ml x˙ θ˙ cosθ + J θ˙ 2 (2.7) Từ (2.1) (2.6) ta có tổng động hệ lắc ngược: 1 2 2 T =T 1+T 2= ( M +m ) x˙ −ml x˙ θ˙ cosθ + ml θ˙ + J θ˙ 2 Từ (2.8) ta được: ∂T =( M +m ) x˙ −ml θ˙ cosθ ∂ x˙ (2.9) 50 (2.8) L ( ) d ∂T =( M +m ) xă ml ă cos+ ml sin dt x˙ (2.10) ∂T =−ml x˙ cosθ +J θ˙ +ml (2.11) ( ) d T ă J ă (2.12) =ml xă cos +ml x sin+ml θ+ ˙ dt ∂ θ ∂T =0 (2.13) ∂x ∂T =ml x˙ θ˙ sinθ ∂θ (2.14) Chọn gốc điểm treo lắc xe nên hệ lắc: P=mlgcosθ (2.15) Từ (2.15) ta được: ∂P ∂ P ∂P = = =0 ∂ x˙ ∂ θ˙ ∂ x (2.16) ∂P =−mglsinθ ∂θ (2.17) Lực tổng quát xe bao gồm lực phát động lực ma sát với mặt đường: ¿ Q x =F−b x˙ (2.18) Tổng hợp phương trình từ (2.9) đến (2.18) thay vào phương trình Lagrange loại ta c: { ( M + m ) xă ml ă cos+ ml sin=Fb x ă ( J +ml ) ml xă cosmglsin=0 (2.19) 3.2.2 Tuyn tớnh húa hệ thống phi tuyến, xây dựng hàm truyền không gian trạng thái hệ thống tuyến tính Để tuyến tính hóa hệ thống ta giả sử góc 𝜃 nhỏ (0 ≤ 𝜃 ≤ 0,35 rad) để coi xấp xỉ: sin𝜃 ≈ 𝜃, cos𝜃 ≈ 1, θ˙ ≈ Ta phương trình tuyến tính hóa hệ thng nh sau: { ă ( M +m ) xă ml =Fb x ă ( J +ml ) ml xă mgl=0 (2.20) Thc hin bin i Laplace ca h phương trình với giả sử điều kiện ban đầu không Ta kết sau: 51 { ( M + m ) X ( s ) s 2−mlθ (s )s2 =U (s)−bX (s)s (2.21) 2 mlX ( s ) s −( J + ml ) θ (s )s −mglθ(s)=0 Giải phương trình thứ hệ (2.21) ta được: ( ) J +ml g − θ (s) ml s X ( s) = (2.22) Thay (2.22) vào phương trình thứ hệ (2.21) ta được: ( M +m ) ( ) ( ) J + ml g J + ml g 2 − θ ( s ) s −mlθ(s)s =U (s)−b − θ (s )s ml ml s s (2.23) Sắp xếp lại ta được: θ(s) = U ( s) ml s q ( M +m ) mgl bmgl b( J +m l ) s + s− s− s q q q Ở đây, q=( M +m ) ( J +ml )−m2 l (2.24) (2.25) Rút gọn (2.24) ta phương trình hàm truyền hệ thống mơ tả đầu 𝜃(s) đầu vào U(s): ml s θ(s) q = U ( s) b(J + ml ) ( M + m ) mgl bmgl s+ s− s− q q q (2.26) Các phương trình tuyến tính hóa biểu diễn dạng khơng gian trạng thỏi: [][ x xă = ă −b(J + ml 2) q −bml q [] x x˙ y= [ 0 ] θ θ˙ m gl q mgl ( M +m ) q ] ] [][ x J +m l x˙ q + F θ θ˙ ml q (2.28) Ở đây, q=( M +m ) ( J +ml )−m2 l 52 (2.27) 3.3 Xây dựng biểu đồ bond graph 3.3.1 Biểu đồ Bond Graph Hình 3-49:Biểu đồ Bond Hệ thống Chi tiết khối biểu đồ Bond: + Lực quán tính xe đẩy lắc biểu diễn phần tử Imx, Imy, Ij, IM + Lực ma sát xe mặt đường biểu diễn phần tử R + Các vận tốc hệ thống biểu diễn 1-junction C + Các quan hệ động học vận tốc mơ hình hóa cách sử dụng cách sử dụng phần tử MTF 0-junction + MSe, Se ngoại lực tác động vào hệ thống trọng lực lắc lực F tác động đầu vào 53 + Sf vận tốc phát động *Rút gọn biểu đồ Bondgraph: + Loại bỏ phần tử sau: FBx, Fby lắc chịu ngoại lực F theo phương ngang vào xe + Loại bỏ Sf 1-junction biểu diễn vận tốc mặt đất xe di chuyển theo chiều ngang mặt đất khơng chuyển động Hình 3-50:Biểu đồ Bond sau rút gọn 3.3.2 Hệ thống điều khiển lắc ngược Điều khiển trạng thái hệ thống quan trọng hệ thống thực tế Một hệ thống dù thiết kế tốt phản hồi (Feedback) hay đầu hệ thống (Output) khơng hồn tồn xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngồi ảnh hưởng đến hệ thống trạng thái dẫn đến kết làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái hệ thống cách thay đổi đầu vào (Input) Bộ điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi (Feedback control), 54 đáp ứng hệ thống theo dõi so sánh với giá trị mong muốn, sai số (Error Detector) phản hồi sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt kết Đáp ứng hệ thống so sánh với đầu vào (Input) để đạt sai số Tín hiệu sai số sử dụng thuật toán điều khiển để xác định đầu vào hệ thống, đáp ứng điều chỉnh để đạt đầu mong muốn Hình 3-51:Sơ đồ khối hệ thống sử dụng điều khiển có phản hồi Trong tất thuật tốn điều khiển phản hồi, đầu thực tế đưa trở lại hệ thống điều khiển nên phép đo sai số (sự khác đầu mong muốn đầu thực tế) tính tốn, phép đo sai số 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 điểu khiển PID PID viết tắt proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) derivative (vi phân) Điều khiển PID thực trình điểu khiển khác với hàm sai số ( error function) Ưu điểm điều khiển PID so với điều khiển tích phân, vi phần, tỷ lệ… giảm sai số xác lập đến giá trị tối thiểu nhất, han chế độ giao động, giảm thời gian xác lập độ vọt lố điều khiển thay đổi, lựa chọn thông số Kp, Ki, Kd cách hợp lý để đảm bảo chất lượng ổn định hệ thống Cấu trúc hệ thống điều khiển lắc sử dụng sơ đồ Bond Graph mô tả hệ thống điều khiển lắc thể qua hình đây: 55 Hình 3-52:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lắc Hình 3-53:Biểu đồ Bond Graph xây dựng hệ thống điều khiển vịng kín 56 3.4 Mơ đánh giá đặc tính góc nghiêng lắc sử dụng phần mềm 20-sim 3.4.1 Đánh giá đặc tính hệ hở Hình 3-54:Bond graph với hệ hở 57 Hình 3-55:Thơng số hệ thống Hình 3-56:Thơng số khối Cos với chiều dài =0.3m Hình 3-57:Thơng số khối Sin với chiều dài =0.3m 58 Hình 3-58:Thơng số khối tích phân với initial tương ứng với góc lệch bạn đầu lắc Hình 3-59:Đáp ứng hệ hở Như biểu đồ trên, đáp ứng hệ cho đáp ứng dao động liên tục, theo thời gian biên độ giao động nhỏ, tương ứng với góc nghiêng lắc dao động hướng tăng giảm liên tục Như cần thiết kế điều khiển để tối ưu đáp ứng hệ thống 3.4.2 Mô đánh giá đặc tính hệ thống điều khiển vịng kín Với thống số PID Kp =1, Ki = 1, Kd =1 Tín hiệu mong muốn góc nghiêng 59 Hình 3-60:Đáp ứng hệ thống khí Kp = 1, Kd = 1, Ki =1 Đáp ứng nhận không ổn định sai số xác lập lớn, độ vọt lố cao, biên độ dao động lớn Với thống số PID Kp =400, Ki = 10, Kd =25 Tín hiệu mong muốn góc nghiêng Hình 3-61:Đáp ứng hệ thống với góc ban đầu rad 60 Hình 3-62:Đáp ứng hệ thống với góc ban đầu rad Hình 3-63:Đáp ứng hệ thống với góc ban đùa rad Nhận xét: + Với thông số PID Kp=400, Ki=10, Kd =25 đáp ứng nhận cho độ ổn định khác + với góc ban đầu lệch gần độ ổn định hệ thống nhanh hơn, độ vọt lố thời gian xác lập nhỏ  Như việc chọn góc ban đầu để đặt độ ổn định tốt quan trọng 61 KẾT LUẬN Nhóm xây dựng phương trình mơ tả hệ lắc ngược, biểu đồ Bond Graph mô tả điều khiển lắc phần mềm 20-sim Việc điều khiển vịng kín có phản hồi sử dụng điều khiển PID thích hợp việc điều khiển góc nghiêng lắc Bài tập lớn hoàn thiện bổ sung mô chuyển động thực lắc ngược phần mềm đồ họa 20-sim Đề tài thành viên nhóm áp dụng cải tiến mơn học đồ án thực tế, tập lớn Đồ án Cơ điện tử, Đồ án Tốt nghiệp… 62 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Bài tập môn học mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử động điện chiều kích từ song song động điện kích từ nối tiếp giúp sinh viên hiểu cách hoạt động động điện chiều nói chung động điện chiều kích từ nối tiếp nói riêng góc độ phân tích Khi tìm hiều giải vấn đề đặt yêu cầu tập chúng em xây dựng dược phương trình trạng thái mơ tả động điện chiều, đồng thời thiết kế xây dựng biểu đồ bond graph phần mềm 20-sim để thực mơ Đồng thời nhóm chúng em tìm hiểu nắm nguyên lý cách tiến hành mô hệ thống treo xe ô tô để trang bị củng cố kiến thức nắm xun suốt học phần Mơ Hình Hố Mơ Phỏng Hệ Thống Cơ Điện Tử Bộ điều khiển PID sử dụng thiết kế hệ thống điều khiển với tín hiệu cần ổn định góc quay cảu động Khảo sát phụ thuộc góc quay điện áp phần ứng thay đổi thông qua chọn tham số điều khiển PID Biết cách lựa chọn thông số cho điều khiển PID Cạnh củng cố lại kiển thức mơn lí thuyết điều khiển cấu chấp hành điều khiển Đồng thời, tích lũy kiến thức quan trọng để phục vụ cho việc học tập học phần có liên quan, đồ án mơn học đồ án tốt nghiệp sau Báo cáo đề tài cố gắng nghiên cứu thành viên nhóm em với giảng dạy Th.S Lê Ngọc Duy qua em nắm bắt cách tổ chức nghiên cứu nắm bắt nội dung quan trọng đề tài để viết báo cáo đầy đủ chi tiết Có thể khơng thể tránh thiếu sót nhỏ, nhóm em kính mong thầy bảo để nhóm hồn thiện tự tin trình học tập làm việc sau Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO  S Das, Mechatronics modeling and simulation using Bond Graphs, CRC press, 2009  Huỳnh Thái Hồng, Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống, ĐHBK TPHCM, 2012  Chương - MƠ HÌNH HĨA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPHS, Tài liệu học tập  Study and Analysis of Automobile Suspension System using Bond Graph Technique/ Rahul Y Girase1, Dr Animesh Chatterjee  Mechatronic Modeling and Simulation Using Bond Graphs, Shuvra Das 64