Môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm

Tên nhóm: 14 3.Họ và tên thành viên: Nguyễn Thành Long Đặng Đình Luân Cao Phan Lương NỘI DUNG HỌC TẬP Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm

lOMoARcPSD|39269578 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Ngọc Duy Sinh viên thực hiện: 1 Nguyễn Thành Long 2 Đặng Đình Luân 3 Cao Phan Lương Hà Nội - 2022 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 (BM01) PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung 1 Tên lớp: ……………… Khóa: K15 2 Tên nhóm: 14 3.Họ và tên thành viên: Nguyễn Thành Long Đặng Đình Luân Cao Phan Lương NỘI DUNG HỌC TẬP Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu như hình 1 Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2 Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ Các thông số của động cơ như sau: - Điện cảm phần ứng L: 2 10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω - Hệ số cản b = 7.6 10−3Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠2/𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 0.3 Hình 1 Hình 2 1 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim Bài số 2 Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2 Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo Các thông số của động cơ như sau: - Khối lượng thân xe: 2500kg - Khối lượng bánh xe: 320kg - Độ cứng hệ treo K1 : 60000N/m - Độ cứng lốp xe K2 : 400000N/m - Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m - Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m Hình 1 Hình 2 2 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-sim Bài số 3 Cho cấu trúc hệ thống điều khiển con lắc như hình 1 và con lắc hình 2 Trong đó: Trong đó: R là tín hiệu đặt góc nghiêng con lắc; 𝜃 là góc nghieng côn lắc; u là tín hiệu điều khiển Các thông số của con lắc như sau: - Khối lượng thân xe: 0.6kg - Khối lượng con lắc: 0.1kg - Chiều dài con lắc : 0.3m - Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2 - Hệ số ma sát của xe : 0.1N/m/s Hình 1 Hình 2 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc 3 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm 20- sim KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú TS Lê Ngọc Duy 4 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 Mục Lục Bài số 1: Hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 10 1.1 Tổng quan động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 10 1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 10 1.1.3 Phân loại động cơ điện 1 chiều .11 1.1.4 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều 11 1.1.5 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều 12 1.1.6 Ưu, nhược điểm của động cơ điện 1 chiều .12 1.2 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều 13 1.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 15 Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph: 15 1.4 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 18 1.4.1 Đánh giá đặc tính góc quay của động cơ 18 1.4.2 Bộ điều khiển P .19 1.4.3 Bộ điều khiển PI 21 1.1.4Bộ điều khiển PD .23 1.1.5 Bộ điều khiển PID 26 Bài số 2 Hệ thống treo 29 2.1 Tổng quan hệ thống treo xe ô tô 29 2.1.1 Hệ thống treo xe ô tô là gì? 29 2.1.2 Cấu tạo của hệ thống treo ô tô 29 2.1.3 Phân loại hệ thống treo của ô tô 31 2.2 Phân tích vật lý của hệ thống treo của ô tô 33 5 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 2.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống treo 37 2.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph trên phần mềm 20-sim 37 2.3.2 Thiết kế hệ thống bộ điểu khiển 38 2.4 Mô Phỏng Và Đánh Giá Đặc Tính Dao Động Của Thân Xe 41 2.4.1 Xây dựng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển .41 Bài 3 HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC 45 3.1 Tổng quan hệ thống con lắc ngược 45 3.1.1 Giới thiệu về con lắc ngược 45 3.1.2 Ứng dụng con lắc ngược: 45 3.1.3 Các phương pháp điều khiển hệ thống 46 3.1.4 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng .46 3.1.5 Mục đích nghiên cứu 46 3.2 Xây dựng hàm truyền hệ thống con lắc ngược 47 3.3 Xây dựng sơ đồ Bond-Graph của hệ bằng phần mềm 20-Sim 50 3.3.1 Xây dựng bond graph cho con lắc: 50 3.3.2 Xây dựng bond graph cho động cơ .53 3.3.3 Xây dựng bộ điều khiển PID .56 3.4 Mô phỏng và đánh giá hệ con lắc 58 3.4.1 Mô phỏng hệ con lắc đáp ứng hở 58 3.4.2 Mô phỏng hệ con lắc đáp ứng vòng kín 61 6 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 Danh Mục Hình Ảnh Hình 1.1 1:Cấu tạo động cơ điện 1 chiều 11 Hình 1.1 2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều 11 Hình 1.3 1 Sơ đồ Bond Graph hệ thống động cơ điện 1 chiều 16 Hình 1.3 2 Sơ đồ Bond Graph đã xác định quan hệ nhân quả 17 Hình 1.4 1: Sơ đồ Bond Graph của hệ thống 18 Hình 1.4 2: Thiết lập thông số cho hệ thống 18 Hình 1.4 3: Đặc tính góc quay của động cơ .19 Hình 1.4 4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P 19 Hình 1.4 5: Thiết lập thông số hệ thống với bộ điều khiển P 20 Hình 1.4 6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều kiển P với Kp=1 20 Hình 1.4 7: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PI 21 Hình 1.4 8: Thiết lập thông số hệ thống với bộ điều khiển PI 21 Hình 1.4 9: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều kiển PI 22 Hình 1.4 10: Thiết lập thông số cho bộ điều khiển với Ki = 100 .22 Hình 1.4 11: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI khi thay Ki=100 .23 Hình 1.4 12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PD .23 Hình 1.4 13: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PD 24 Hình 1.4 14: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với thông số ban đầu 24 Hình 1.4 15: Thiết lập thông số cho bộ điều khiển với Kd = 0.85 .25 Hình 1.4 16: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với KD=0.85 25 Hình 1.4 17 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID .26 Hình 1.4 18: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PID .26 Hình 1.4 19: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với thông số ban đầu 27 Hình 1.4 20: Thiết lập thông số cho bộ điều khiển PID với Kp = 1, Ki = 100, Kd = 0.85 27 Hình 1.4 21: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 28 7 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 Hình 2.3 1 Biểu đồ bond mô phỏng trên 20sim 37 Hình 2.3 2: Hình minh họa hệ thống điều khiển hồi tiếp 38 Hình 2.3 3: Hình ảnh minh họa hệ thống điều khiển 39 Hình 2.3 4: Hệ thống có bộ điều khiển PID .39 Hình 2.4 1: Biểu đồ bond của hệ thống 41 Hình 2.4 2: Hình ảnh nhập dữ liệu mô phỏng trên 20sim 42 Hình 2.4 3: Dao động của hệ thống khi chưa có bộ điều khiển 42 Hình 2.4 4: Hệ thống treo khi có bộ điều khiển PID 43 Hình 2.4 5: Đáp ứng hệ thống treo khi Kp=10000; Kd=100; Ki=5 43 Hình 2.4 6: Đáp ứng hệ thống treo khi thay đổi Kd=5; Ki=100 44 Hình 2.4 7: Đáp ứng hệ thống treo khi thay đổi Kd=0.2; Ki= 500 44 Hình 3.1 1 Một số mô hình con lắc ngược 45 Hình 3.1 2 Ứng dụng con lắc ngược trong xe cân bằng 46 Hình 3.2 1 Đặt hệ trục tọa độ cho con lắc 47 Hình 3.3 1 Sơ đồ Bond Graph con lắc .51 Hình 3.3 2Thêm quan hệ nhân quả cho sơ đồ Bond Graph con lắc 52 Hình 3.3 3 Mạch điện tổng quát động cơ 53 Hình 3.3 4 Sơ đồ Bond Graph động cơ sau khi rút gọn 54 Hình 3.3 5 Thêm quan hệ nhân quả cho sơ đồ Bond Graph động cơ 56 Hình 3.4 1 Sơ đồ Bond Graph sau khi kết nối với động cơ .58 Hình 3.4 2 Bảng cài đặt thông số cho hệ 59 Hình 3.4 3 Bảng thiết lập biểu đồ .60 Hình 3.4 4 Kết quả mô phỏng hệ đáp ứng hở 60 8 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 Hình 3.4 5 Sơ đồ Bondgraph hệ thống đáp ứng hồi tiếp âm 61 Hình 3.4 6 Kết quả mô phỏng hệ đáp ứng vòng kín hồi tiếp âm .62 Hình 3.4 7 Sơ đồ BondGraph của hệ khi thêm bộ điều khiển PID 62 Hình 3.4 8 Kết quả mô phỏng hệ có PID: Kp=1, Ti=1, Td=1 63 Hình 3.4 9 Kết quả mô phỏng hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=1 .63 Hình 3.4 10 Kết quả mô phỏng hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=0.5 64 9 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com)