Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 1 BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA CƠ KHÍBÁO CÁO BÀI TẬP LỚNCHỦ ĐỀ: MƠ HÌNH HĨA VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG VÀTHIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNGHọc phần: Cơ sở hệ th
lOMoARcPSD|39211872 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN CHỦ ĐỀ: MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG Học phần : Cơ sở hệ thống tự động GVHD : Bùi Thanh Lâm Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tiến Dũng Vũ Đức Dũng Đặng Văn Dương Khóa : 17 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung 1 Tên lớp: ME6048.1 Khóa: 17 2 Tên nhóm: 06 Họ và tên thành viên: 1 Nguyễn Tiến Dũng MSV: 2022601433 2 Vũ Đức Dũng MSV: 2022600700 3 Đặng Văn Dương MSV: 2021605877 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 Trong đó: - Mômen quán tính của rôto (J) = 0,01 kg.m^2/s^2 - Hệ số giảm chấn của hệ thống cơ khí (b) = 0,1 Nms - Hằng số suất điện động (K=Ke=Kt) = 0,01 Nm/Amp - Điện trở (R) = 1 ohm - Độ tự cảm điện (L) = 0,5 H - Đầu vào (V): Nguồn điện áp - Đầu ra (v): Vận tốc của trục - Rôto và trục được coi là cứng vững 2 Hoạt động của sinh viên - Nội dung 1: Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1 + Mô hình hóa hệ thống + Xác định tính ổn định của hệ thống + Tìm đáp ứng của hệ thống theo thời gian - Nội dung 2: Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2 + Khảo sát sự ảnh hưởng của độ tự cảm L lên chất lượng hệ thống Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 + Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trở R lên chất lượng hệ thống + Khảo sát sự ảnh hưởng của mô men quán tính J lên chất lượng hệ thống - Nội dung 3: Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L3 + Thiết lập bộ điều khiển PI và phân tích ảnh hưởng của các thành phần P,I lên chất lượng hệ thống + Chọn tham số bộ điều khiển PI để tối ưu chất lượng hệ thống 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 /11/2023 đến ngày /12/2023) 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 TS Phan Đình Hiếu TS Bùi Thanh Lâm Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 MỤC LỤC I MỞ ĐẦU 2 II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3 2.1 Nội dung 1 3 2.1.1 Mô hình hóa hệ thống 3 2.1.2 Xác định tính ổn định của hệ thống 4 2.1.3 Đáp ứng của hệ thống theo thời gian 4 2.2 Nội dung 2 7 2.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ tự cảm L lên chất lượng hệ thống .7 2.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trở R lên chất lượng hệ thống 8 2.2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của mô men quán tính J lên chất lượng hệ thống 9 2.3 Nội dung 3 10 2.3.1 Chọn tham số bộ điều khiển PI để tối ưu chất lượng hệ thống 10 2.3.2 Phân tích ảnh hưởng của các thành phần P,I lên chất lượng hệ thống 11 III KẾT LUẬN 14 1 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 I MỞ ĐẦU Chủ đề: Mô hình hóa và khảo sát chất lượng, và thiết kế bộ điều khiển của hệ thống Thông số: - Mômen quán tính của rôto (J) = 0,01 kg.m^2/s^2 - Hệ số giảm chấn của hệ thống cơ khí (b) = 0,1 Nms - Hằng số suất điện động (K=Ke=Kt) = 0,01 Nm/Amp - Điện trở (R) = 1 ohm - Độ tự cảm điện (L) = 0,5 H - Đầu vào (V): Nguồn điện áp - Đầu ra (v): Vận tốc của trục - Rôto và trục được coi là cứng vững 2 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU II.1 Nội dung 1 II.1.1 Mô hình hóa hệ thống - Áp dụng định luật II Niuton cho chuyển động quay của động cơ, ta có: J θ¨ +b θ˙ =Ki (1) - Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện, ta có: L di + Ri=V −K θ˙ (2) dt - Biển đổi Laplace 2 vế của (1) và (2): s (J s+b ) θ (s )=K I (s)(3) ( L s+ R ) I ( s)=V −Ks θ( s) (4) (3) I ( s )= s (J s+ b) θ (s) (5) K - Thế (5) vào (4): => ( L s+R ) s ( J s+ b) θ (s )=V −Ks θ ( s) K s (L s + R) (J s +b ) θ(s)=VK −K2 θ(s) [s ( L s+ R ) ( J s+b)+K2].θ ( s)=VK θ (s ) V ( s )= s [(J s+b ) ( L s+ R )+ K 2 K ] - Ta có hàm truyền của hệ thống: G (s )= θ˙ (s) V (s)=( J s +b) ( L s + R)+K2 K ( 1s : khâu tích phân) (6) 3 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 II.1.2 Xác định tính ổn định của hệ thống Xác định tính ổn định của hệ thống có sơ đồ khối: Phương trình đặc tính: G (s )= 0.005 s2 0.01 + 0.06 s +0.1001 1+G (s)=0 1+ 0.005 s2 0.01 +0.06 s+0.1001=0 0.005 s2+0.06 s +0.1001+0.01=0 Ta có bảng Routh: s2 0.005 0.1001 s1 0.06 0.01 α 3= 5 s0 0.1001− 5 0,01=0.99267 60 60 Theo tiêu chuẩn Routh, ta thấy tất cả các phần tử ở cột 1 bảng Routh đều dương nên tất cả các nghiệm của phương trình đặc tính đều nằm bên trái mặt phẳng phức, do đó hệ thống ổn định II.1.3 Đáp ứng của hệ thống theo thời gian Sử dụng Matlab, ta nhập các dòng lệnh sau vào Command Window để nhập các thông số và hàm truyền tìm được trong phần 2.1: J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; tuso=K; mauso=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; hamtruyen = tf(tuso,mauso) 4 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Kết quả ta được hàm truyền hiển thị trên Command Window: Sử dụng lệnh step để vẽ đồ thị hàm số đã tìm được (thời gian chạy từ 0 đến 5 giây với bước nhảy là 0.01 giây): step(hamtruyen, 0:0.01:5); Ta được đồ thị sau: Để xác định các thông số ta click chuột phải vào biểu đồ rồi chọn Characteristics: 5 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 - Peak Response: Độ vọt lố - Rise Time: Thời gian lên - Settling Time: Thời gian xác lập - Steady State: Sai số xác lập Dựa vào đồ thị ta lấy được các thông số: - Độ vọt lố: 0% - Thời gian xác lập: 2,07 s - Thời gian lên: 1,14 s - Sai số xác lập rất lớn => Từ những thông số trên chúng ta có thể thấy rằng động cơ DC đang nghiên cứu không thể tự đáp ứng được các yêu cầu đáp ứng hệ thống do có sai số xác lập quá lớn, nếu đưa ra ngoài thực tế sẽ không thể sử dụng Vì vậy để hoàn thành yêu cầu cần có một bộ điều khiển thích hợp giúp động cơ đạt được những thông số trên 6 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 II.2 Nội dung 2 Để khảo sát sự ảnh hưởng của độ tự cảm L, điện trở R và mô men quán tính J lên chất lượng hệ thống, ta dùng lệnh for để gán lần lượt các giá trị của J vào hàm truyền: G (s)= K 2 (J s+b ) ( L s+R )+ K II.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ tự cảm L lên chất lượng hệ thống Code Matlab: J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; s=tf('s'); u=[0 0.5 1 1 1 1 1]; for i = u L=L+i; Hamtruyen =K/((J*s+b)*(L*s+R)+K^2); hold on; step(Hamtruyen,0:0.01:5); end legend('L=0.5','L=1','L=2','L=3','L=4','L=5' ,'L=6') Ta được đồ thị: Nhận xét: Việc thay đổi độ tự cảm L không gây ảnh hưởng lên độ vọt lố và sai số xác lập, tuy nhiên khi tăng mô men quán tính J thì thời gian lên và thời gian xác lập càng lớn 7 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Kết luận: Thời gian lên và thời gian đáp ứng của hệ thống động cơ DC tỷ lệ thuận với độ tự cảm của mạch điện II.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trở R lên chất lượng hệ thống Code Matlab: J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; s=tf('s'); u=[0 1 1 1 1 1 1]; for i = u R=R+i; Hamtruyen =K/((J*s+b)*(L*s+R)+K^2); hold on; step(Hamtruyen,0:0.01:5); end legend('R=1','R=2','R=3','R=4','R=5','R=6',' R=7') Ta được đồ thị: Nhận xét: Việc tăng điện trở R làm xác lập của hệ thống tăng lên => sai số xác lập giảm đi Kết luận: Sai số xác lập của hệ thống động cơ DC tỷ lệ nghịch với điện trở của mạch điện 8 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 II.2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của mô men quán tính J lên chất lượng hệ thống Code Matlab: J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; s=tf('s'); u=[0 0.09 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1]; for i = u J=J+i; Hamtruyen =K/((J*s+b)*(L*s+R)+K^2); hold on; step(Hamtruyen,0:0.01:5); end legend('J=0.01','J=0.1','J=0.2','J=0.3','J=0 4','J=0.5','J=0.6') Ta được đồ thị: Nhận xét: Việc thay đổi mô men quán tính J không gây ảnh hưởng lên độ vọt lố và sai số xác lập, tuy nhiên khi tăng mô men quán tính J thì thời gian lên và thời gian xác lập càng lớn => Thời gian lên và thời gian đáp ứng của hệ thống động cơ DC tỷ lệ thuận với mô men quán tính của rotor 9 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 II.3 Nội dung 3 II.3.1 Chọn tham số bộ điều khiển PI để tối ưu chất lượng hệ thống Ta có hàm truyền hở: G (s )= 0.005 s2 0.01 +0.06 s +0.1001 Bộ điều khiển PI có dạng: GC (s )=K P+ K I s Sử dụng Matlab Simulink ta có thể mô phỏng được hệ thống cùng với bộ điều khiển PI (bộ điều khiển PID với K D=0) Theo phần 2.1.3, sai số xác lập của hệ thống là rất lớn, nên theo lý thuyết, ta tăng chỉ số K P và K I sẽ cải thiện được sai số xác lập Trước tiên ta thử với K P=10 và K I=10: Nhìn trên biểu đồ ta có thể thấy, với K P=10 vàK I=10, sai số xác lập đã được loại bỏ, tuy nhiên thời gian xác lập vẫn cần được cải thiện Để giảm thời gian xác lập, ta tăng K I Ta thử với K P=10 vàK I=34: 10 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Nhận xét: Hệ thống đã ổn định với vài sự thay đổi nhỏ của vài thông số trong bộ điều khiển, nó đã đáp ứng được độ vọt lố