Cơ sở hệ thống tự động nghiên cứu mô hình hóa và khảo sát chất lượng và thiết kế bộ điều khiển của hệ thống

Trang 1 BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘICƠ SỞ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNGChuyên ngành: Robot và Trí tuệ nhân tạoTÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU:MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG VÀ THIẾT KẾ B

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHI ỆP HÀ NỘI

CƠ SỞ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

Chuyên ngành: Robot và Trí tuệ nhân tạo

TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU:

MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG

GVHD: Bùi Huy Anh MÔN: CƠ SỞ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

SV:Chu Văn Tùng MSV: 2021603369

Hà Nội, 12– 2022

Mục lục

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM 3

Hệ thống động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 5

NỘI DUNG 1: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 7

Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và không gian trạng thái 8

Sử dụng phần mềm Matlab để tìm đáp ứng của hệ thống theo thời gian 9

NỘI DUNG 2: KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG THEO ĐIỆN TRỞ ĐỘNG CƠ 10

Sử dụng phần mềm Matlab để khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo điện trở động cơ R thay đổi giá trị từ 1 đến 100Ω 12

NỘI DUNG 3: THIẾT LẬP BỘ ĐIỀU KHIỂN PI KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ THEO CÁC THAM SỐ PI 14

1 Cơ sở lý thuyết 14

2 Thiết kế bộ điều khiển 14

3 Điều chỉnh thông số các khối 15

4 Khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số PI 19

NỘI DUNG 4: Kết luận và lời cảm ơn 27

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề : Mô hình hóa và khảo sát chất lượng, và thiết kế bộ điều

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1:Mô hình hóa hệ thống, tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.1

- Nội dung 2: Khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo điện trởđộng cơ R thay đổi từ 1 đén 100 ohm - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.1

- Nội dung 3: Thiết lập bộ điều khiển PI khảo sát sự phụ thuộc chất lượngđiều khiển vị trí theo các tham số PI - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.2

3 Sản phẩm nghiên cứu : Bài thu hoạch và các chương trình mô phỏng

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Sách Cơ sở hệ thống tự động, tài liệu Matlab

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án(nếu có): Máy tính

HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU NAM CHÂM VĨNH

CỬU

1 ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của “Direct Current Motors”) 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 một chiều (DC) là động cơ biến năng lượng từ dòng điện một chiều và thành cơ năng

2 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

Về cơ bản mọi loại động cơ điện một chiều đều có cấu tạo gồm 4 bộ phận là: Stator, Rotor, chổi than và cổ góp Mỗi bộ phận sẽ đảm nhiệm vụ khác nhau phụ trợ cho quá trình vận hành, hoạt động của thiết bị

- Stator của motor DC: 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 (còn được gọi là brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điệncho bộ phận cổ góp

- 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)

Hình1 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Stato của động cơ DC sẽ là 1 hoặc nhiều cặp nam châm đứng yên,trong khi rotor là cuộn dây được nối với nguồn điện 1 chiều Rotor khi đượccấp điện sẽ tạo ra từ tường tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu(stato), đồng thời tạo ra momen quay

Lúc này, hướng chuyển động của rotor sẽ được xác định bằng quy tắcbàn tay trái Tại đó, quy tắc bàn tay trái: Ngón tay cái, ngón trỏ và ngón giữa

sẽ biểu hiện trục quay của các đại lượng vật lý, lần lượt là: lực tác dụng bởivật dẫn dòng điện, chiều dòng điện

Khi dòng điện chạy trong rotor, phần ứng đặt trên rotor và cổ góp đứngyên sẽ chuyển dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây kia Động cơ DC sẽhoạt động với tốc độ cố định khi dòng điện cố định, đồng thời không có hiệntượng trượt Dòng điện chạy qua động cơ sẽ được tính theo công thức sau:

• I = (V(nguồn) - V(phần điện động))/ R(phần ứng)

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

• P = I * V(phần điện động)

4 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

Loại động cơ này được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc sống như: trong tivi, máy công nghiệp, máy in- photo, đài FM, ổ đĩa

DC, trong công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc

độ quay liên tục trong phạm vi lớn……

Đối với động cơ DC nhỏ thường được sử dụng trong các công cụ, đồ chơi và các thiết bị gia dụng khác nhau

Trong công nghiệp, động cơ DC được ứng dụng như băng tải và bàn xoay,… việc sử dụng động cơ DC công suất lớn trong các ứng dụng như phanh và đảo chiều

Động cơ một chiều còn được ứng dụng nhiều trong ngành chế tạo Robot,

NỘI DUNG 1: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1

Rotor và trục được mặc định và cứng

Bảng 1 Thông số hệ thống

di

Mô hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và không gian trạng thái

Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:

Xây dựng phương trình không gian trạng thái:

Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái Điện áp

là đầu vào, đầu ra là tốc độ quay Từ phương trình (6) và (7) ta có:

I (8)

(9) Vậy ta có phương trình không gian trạng thái

(11)

Kết quả thu được:

Sử dụng phần mềm Matlab để tìm đáp ứng của hệ thống theo thời gian

J*R+b*L là hệ số S^2

K*K+b*R là hệ số S^1

0 là hệ số của s^0

Kết quả thu được:

Hình 1.1 Đáp ứng của hệ thống theo thời gian.

Các thông số thu được:

Bảng 2.1 Thông số thu được khi tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian

Độ vọt lố Thời gian lên Thời gian xác lập Sai số xác lập (overshoot) (Rise time) (Settling time) (Steady State)

− Hệ thống không thể đạt tới trạng thái ổn định vì các chỉ số đều không xác định được

NỘI DUNG 2: KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA ĐÁP ỨNG

HỆ THỐNG THEO ĐIỆN TRỞ ĐỘNG CƠ

Sử dụng phần mềm Matlab để khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo điện trở động cơ R thay đổi giá trị từ 1 đến 100Ω

Phần code trên Matlab

NỘI DUNG 3: THIẾT LẬP BỘ ĐIỀU KHIỂN PI KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ THEO CÁC

THAM SỐ PI

1 Cơ sở lý thuyết

Khâu hiệu chỉnh PI ( hay khâu tích phân tỉ lệ PI) là một trường hợp riêng của khâu hiệu chỉnh trễ pha nên có một số đặc điểm của khâu hiệu chỉnh trễ pha:

− Tín hiệu ra luôn trễ hơn tín hiệu vào

− Lọc thông thấp

− Thu hẹp băng thông của hệ thống

− Hệ số khuếch đại ở miền tần số cao giảm

− Cải thiện đáp ứng quá độ (giảm sai số xác lập)

Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, triệt tiêu sai số xác lập của hệ thống

Hình 3.2 Sơ đồ lắp ghép các khối

3 Điều chỉnh thông số các khối

Chọn thời gian mô phỏng (Simulation on time) là 20s

Khối Step

Chọn Thời gian của bước (Step Time) là 0.01, Giá trị ban đầu (InitialValue) là 0,

Giá trị cuối (Final Value) là 1, Thời gian mẫu (Sample Time) là 0

Hình 3.3 Điều chỉnh khối Step

Khối Sum

Danh sách của các dấu (List of signs): |+-

Hình 3.4: Điều chỉnh khối Sum

Điều chỉnh các thông số của khối Transfer Fcn.

Hình 3.5 Điều chỉnh khối Transfer Fcn

Khối PID controller

Controller chọn PI

Hình 3.6 Điều chỉnh khối PID controller

Sơ đồ khối sau khi điều chỉnh thông số của các khối

Hình 3.7 Sơ đồ thu được sau khi điều chỉnh các khối

4 Khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số PI

Phần code trên matlab

hold on ;

4.1 Thay đổi giá trị Kp.

Chọn giá trị Ki=1, đồng thời thay đổi Kp lần lượt là 10, 12, 13, 14, 15

a, Kết quả:

1, Ki=1, Kp =10

2, Ki=1, Kp =11

3, Ki = 1, Kp = 12

4, Ki=1, Kp=13

5, Ki=1, Kp=14

6, Ki=1,Kp=15

b, Số liệu thu được

Bảng 3.1 Số liệu thu được khi giữ nguyên Ki=1 và thay đổi Kp từ 10-15.

c, Nhận xét:

Khi giữ nguyên giá trị = 1 và đồng thời tăng giá trị của lần lượt là 10, 11, 12, 13,

14, 15 thì:

− Thời gian quá độ giảm

− Thời gian lên giảm

− Độ vọt lố tăng

4.2 Thay đổi giá trị Ki

Chọn giá trị Kp=10 đồng thời thay đổi Ki lần lượt là: 3,5,7,9,10

1, Ki=3, Kp=10

2, Ki=5, Kp=10

3, Ki=7, Kp=10

4, Ki=9, Kp=10

5, Ki=10, Kp=10

b, Số liệu thu được:

Bảng 4.3 Số liệu thu được khi thay đổi giá trị của Ki

- Thời gian quá độ tăng

- Thời gian lên giảm

Nội dung 4: Kết luận và lời cảm ơn.

Điều khiển và kiểm soát vị trí của động cơ DC là một chủ đề thú vị, đâylàm mô hình nghiên cứu có tính thực tế cao, là cơ sở cho việc điều khiển máymóc, kiểm soát và điều khiển robot, nền tảng cho phát triển những mô hình tựđộng hóa sau này Sau quá trình thực hiện bài tập lớn đã có thể hiểu cách thức

mô hình hóa một hệ thực tế Biết cách sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab vàchạy thử hệ thống trên mô hình Simulink Biết cách khảo sát một hệ thống tựđộng và phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào các thông số bên ngoài (cụ thể trongbài là đáp ứng của động cơ phụ thuộc vào mô men quán tính của rotor) Bài tậplớn đã tạo điều kiện thực hành việc thiết kế bộ điều khiển và chạy thử trên máytính Khảo sát vào đưa ra kết quả của sự phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào thông

số bộ điều khiển, có thể tự căn chỉnh đáp ứng hệ thống theo ý muốn

Những thuận lợi trong quá trình thực hiện bài tập lớn: nguồn tài liệu dồidào và sát với chủ đề, giáo viên hỗ trợ nhiệt tình, cung cấp tài liệu đầy đủ Thờigian tìm hiểu và nghiên cứu dài, với sự hỗ trợ của internet kết hợp với kiến thức

đã tích lũy trong quá trình học tập trên lớp giúp việc hoàn thành bài tập lớn trởnên nhanh chóng

Tuy nhiên vẫn còn nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện, điều khiệnthực hành và làm việc trên máy tính còn hạn chế nên việc tiếp xúc với dạng bàitập này còn nhiều bỡ ngỡ Trong quá trình làm bài sẽ không thể tránh khỏinhững sai sót Vì vậy, với mục tiêu hoàn thành bài tập lớn một cách hoàn chỉnh,mọi nhận xét, đóng góp của thầy cô và người đọc chúng em sẽ nghiêm túc tiếpthu và rút kinh nghiệm