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

lOMoARcPSD|39211872 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP 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 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 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 2 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung 1 Tên lớp: 20221ME6048005 2 Khóa: K16 3 Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm)………….Họ và tên thành viên trong nhóm: Chu Văn Tùng II Nội dung học tập 1 Tên chủ đề : Mô hình hóa và khảo sát chất lượng, và thiết kế bộ điều khiển của hệ thống Mômen quán tính của Rotor (J) = 0.01 kg.m^2/s^2 * Hệ số ma sát của động cơ (b) = 0.1 Nms * Hệ số sức điện động(K=Ke=Kt) = 0.01 Nm/Amp * Điện trở (R) = 1 ohm * Điện cảm (L) = 0.5 H * Đầu vào (V): Điện áp nguồn * Đầu ra (θ): Vị trí của trục * Rotor và trục được mặc định và cứng 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 trở động 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 lượng điều khiển vị trí theo các tham số PI - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.2 3 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 3 Sản phẩm nghiên cứu : Bài thu hoạch và các chương trình mô phỏng trên Matlab III Nhiệm vụ học tập 1 Hoàn thành tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 04/11/2019 đến ngày 29/11/2019) 2 Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên và những sinh viên khác 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 KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Cơ Khí Bùi Huy Anh 4 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 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 điện cho 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 được cấp điện sẽ tạo ra từ tường tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu (stato), đồng thời tạo ra momen quay 5 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Lúc này, hướng chuyển động của rotor sẽ được xác định bằng quy tắc bàn 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 bởi vật dẫn dòng điện, chiều dòng điện Khi dòng điện chạy trong rotor, phần ứng đặt trên rotor và cổ góp đứng yên sẽ chuyển dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây kia Động cơ DC sẽ hoạt động với tốc độ cố định khi dòng điện cố định, đồng thời không có hiện tượng 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, 6 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 NỘI DUNG 1: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU Mô hình hóa và khảo sát chất lượng, và thiết kế bộ điều khiển của hệ thống Hình 1 Mô hình tổng quan Giá trị 0.01 kg.m^2/s^2 Thông số Mônen quán tính của Rotor (J) 0.1 Nms Hệ số ma sát của động cơ (b) 0.01 Nm/Amp Hệ số sức điện động (K=Ke=Kt) Điện trở (R) 1 ohm Điện cảm (L) 0.5 H Đầu vào (V) Điện áp nguồn Đầu ra(Ɵ) Vị trí của trục Rotor và trục được mặc định và cứng Bảng 1 Thông số hệ thống 7 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 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: J + b = Ki (1) Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có: uR(t) + uL(t) = E R.i(t) + L.i(t) = V - K L di + R.i(t) = V - K dt (2) Biến đổi Laplace 2 vế của (1) và (2): s.(J.s +b) () = K.I(s) (3) (L.s+R).I(s) = V - K(s) () (4) Từ phương trình (3) ta có: I(s) = (5) Thế (5) vào (4) và biến đổi ta được: (6) Vì hàm bậc 3 suy giảm rất nhanh về dạng hàm bậc 2 nên ta có thể coi hàm truyền của hệ là: (7) 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) 8 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Sử dụng matlab Phần code trong Matlab Code1 J =0.01; b = 0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; num=K; den = [(J*L) (J*R+ L*b) (b*R + K*K) ]; Gs = tf (num, den); step(Gs,0:0.01:3); Kết quả thu được: Sử dụng phần mềm Matlab để tìm đáp ứng của hệ thống theo thời gian code2 clc; K =0.01; J =0.01; b = 0.1; R=1; L = 0.5; num = K; den = [ (J*L) (J*R + b*L) (K*K + b*R) 0]; Gs = tf (num, den) step(Gs,0:0.01:5) Kết quả: 1/(1+s) J*L là hệ số của S^3 9 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 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) 0% ∞ ∞ ∞ c, Nhận xét: − 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 10 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 hold on ; R=100; den = [(J*L) (J*R + b*L) (K*K + b*R) 0]; Gs = tf (num, den); step(Gs,t,'g') grid on; hold on ; legend('R=1','R=10','R=20','R=40','R=60','R=80','R=100'); title ('Dap ung cua he thong khi R thay doi tu 1 den 100'); grid on; hold on ; Kết quả thu được: a) R=1Ω Hình 2.1 Đáp ứng của hệ thống khi R=1 12 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 b) R=10 Ω, R=20 Ω, R=40 Ω, R=60 Ω, R=80 Ω, R=100 Ω Hình 2.2 Đáp ứng của hệ thống khi R thay đổi từ 1 đến 100Ω Nhận xét: - Khi giá trị của R tăng dần từ 1Ω đến 100Ω thì vị trí của trục quay giảm dần 13 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 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 2 Thiết kế bộ điều khiển Transfer function controller () () ± Hình 3.1 Mô hình hóa hệ thống Sử dụng phần mềm Matlab Simulink để thiết kế bộ điều khiển PI cho hệ thống Mở thư viện Simulink lấy các khối và lắp ghép như hình dưới 14 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 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): |+- 15 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Hình 3.4: Điều chỉnh khối Sum Khối Transfer Fcn Áp dụng công thức H(s)= = (7) Thay các hệ số vào phương trình (7) ta được (7) H(s)= = 16 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Điều chỉnh các thông số của khối Transfer Fcn Hình 3.5 Điều chỉnh khối Transfer Fcn Khối PID controller Controller chọn PI 17 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 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 Code 4 clc; clear all; K = 0.01; J = 0.01; b = 0.1; R = 1; L = 0.5; t=0:0.01:20; Kp=10; Ki=1; num= K; den = [ (J*L) (J*R + b*L) (K*K + b*R) 0]; Gs = tf (num, den); C = pid(Kp,Ki); G = feedback(Gs*C,1); step(G,t) stepinfo(tf) legend('Kp=10, Ki=1'); grid on; 18 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 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 19 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 3, Ki = 1, Kp = 12 4, Ki=1, Kp=13 20 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com)