1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Bài tập lớnmô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử

82 2 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử: Điều khiển vị trí động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Tác giả Nguyễn Tiến Đạt, Lại Đắc Đạt
Người hướng dẫn Ths. Lê Ngọc Duy
Trường học Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành Cơ khí
Thể loại Bài tập lớn
Năm xuất bản 2022
Thành phố Hà Nội
Định dạng
Số trang 82
Dung lượng 3,12 MB

Cấu trúc

  • CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN (0)
    • 1.1. Tổng Quan Động Cơ Điện Một Chiều (5)
    • 1.2. Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Song Song (8)
  • CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU (0)
    • 2.1. Phân Tích Vật Lý (15)
    • 2.2. Hàm truyền hệ thống (17)
    • 2.3. Mô hình hóa hệ thống (17)
  • CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN (0)
    • 3.1. Xây dựng biểu đồ Bond Graph (18)
    • 3.2. Xây dựng quan hệ nhân quả (20)
    • 3.3. Xây dựng hệ thống điều khiển hở (20)
    • 3.4. Xây dựng hệ thống điều khiển kín (21)
  • CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ (0)
    • 4.1. Hệ thống điều khiển hở (22)
    • 4.2. Hệ thống điều khiển kín (23)
  • CHƯƠNG 5:................................................................................................................................18 (0)
    • 5.1. Giới thiệu tổng quan (32)
    • 5.2. Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu (32)
    • 5.3. Cấu tạo và nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu (33)
    • 5.4. Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu (35)
    • 5.5. Ứng dụng (36)
  • CHƯƠNG 6:................................................................................................................................23 (0)
    • 6.1. Phân 琀ch vật lý mô hình hệ thống động cơ điện một chiều (0)
    • 6.2. Xây dựng phương trình không gian trạng thái (38)
  • CHƯƠNG 7:................................................................................................................................26 (0)
    • 7.1. Xây dựng biểu đồ Bond Graph (40)
    • 7.2. Hệ thống điều khiển (44)
  • CHƯƠNG 8:................................................................................................................................32 (0)
    • 8.1. Mô phỏng và đánh giá đặc 琀nh vị trí của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu (0)
    • 8.2. Thiết kế hệ thống điều khiển (47)
    • 8.3. Kết luận chung (57)
  • CHƯƠNG 9: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO CỦA XE ÔTÔ, XE BUS (0)
    • 9.1. Cấu tạo hệ thống treo trên ô tô (58)
    • 9.2. Chức năng của hệ thống treo trên ô tô (61)
    • 9.3. Các loại hệ thống treo trên ô tô (61)
  • CHƯƠNG 10: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ HỆ TREO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÍ (0)
    • 10.1. Phân 琀ch mô hình hệ thống treo xe bus (0)
  • CHƯƠNG 11: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND-GRAPH (0)
    • 11.1. Xây dựng biểu đồ Bond-Graph mô tả hệ thống treo xe bus (69)
    • 11.2. Xây dựng quan hệ nhân quả (72)
    • 11.3. Xây dựng hệ thống điều khiển hở (72)
    • 11.4. Xây dựng hệ điều khiển kín (73)
  • CHƯƠNG 12: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH GIAO ĐỘNG CỦA THÂN XE (0)
    • 12.1. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-SIM (74)
    • 12.2. Đánh giá đặc 琀nh giao động của thân xe (0)
    • 12.3. Kết luận (81)
  • TÀI LIỆU THAM KHẢO (82)

Nội dung

Các mạch điện tử đã làm thay thế một phần chức năng của hệ cơ khí nhỏ gọn và đơn giản hơn, đồng thời đảm đương chức năng thực hiện chương trình hóa.Thế hệ các máy móc cồng kềnh đã được t

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Tổng Quan Động Cơ Điện Một Chiều

1.1.1 Khái niệm Đông cơ môt chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) là đông cơ đươ c điều khiển bằng dòng có hướng xác đin ̣ h hay nói cách khác thì đây là loaị đông cơ đươ c điều khiển bằng nguồn điên áp DC – điên áp 1 chiều.

1.1.2 CĀu tao và phân loai đông cơ điên

 Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính:

Hình 1.1: Đông cơ điên 1 chiu

 Phần tĩnh (Stator) hay còn gọi là phần kích từ động cơ gồm có:

Dây quấn kích thích: Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép

Hình 1.2: Cấu tao stator má y điên

Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ.

Cực từ phụ: Được đặt trên các cực từ chính, có cấu tao gần giống cưc từ chính.

Gông từ: Dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.

Chổi than: Có tác dụng duy trì và kết nối điện giữa bộ phận tĩnh và động của trong động cơ điện, cụ thể là Stator và Rotor.

 Phần đông (Rotor) hay còn gọi là phần sinh ra sức điện động gồm có:

Mạch từ: được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.

Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một quy luật nhất định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp.

Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ.

Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua.

Cổ góp: Gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica, có tác dụng cung cấp nguồn điện từ bên ngoài vào nuôi động cơ điện đang xoay.

1.1.3 Phân loại động cơ điện một chiu

Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện một chiều thành những loại như sau:

 Động cơ điện một chiu kích từ độc lập: phần ứng và phần kishc từ được cung cấp từ hai nguồi riêng rẽ.

 Động cơ điện một chiu kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng.

 Động cơ điện một chiu kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng.

 Động cơ điện một chiu kích từ hỗn hợp: Bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn được mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn mắc song song với phần ứng.

Khi cung cấp điện áp một chiều cho dây quấn phần ứng Dây dẫn có dòng điện nằm trong từ trường do phần cảm sinh ra sẽ chịu lực tác động làm roto quay, chiều của lực tác động xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Khi roto quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiến góp nên chiều dòng điện vẫn giữ nguyên, làm cho chiều lực từ không thay đổi Khi quay các thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ sinh ra suất điện động phần ứng, chiều của suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải.

1.1.5 Ưu, nhươc điểm và ứ ng dung của đôn g cơ điên 1 chiu a Ưu điểm của động cơ điện 1 chiu:

 Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động.

 Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.

 Bền bỉ, tuổi thọ lớn. b Nhược điểm của động cơ điện 1 chiu

 Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên.

 Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.

 Giá thành đắt mà công suất không cao. c Ứng dụng của động cơ điện 1 chiu Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in - photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn…

Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Song Song

1.2.1 Giớ i thiêu Động cơ điện một chiều kích từ song song là động cơ điện một chiều được mắc bố trí sao cho nguồn một chiều cấp cho phần ứng và cấp cho phần kích từ song song với nhau Ta có phương trình cân bằng của động cơ kích từ song song đó là :

Hình 1.3: Sơ đ điên đông cơ điên mô t chiu kích từ song song

1.2.2 Cá c phương phá p điu khiऀn đông cơ điên 1 chiu

Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải rộng….

Ta có phương trình tốc đô ̣quay của đông cơ:

Từ phương trình trên muốn thay đổi tốc đô ̣đôn ̣ g cơ điên 1 chiều có 3 phương pháp:

- Thay đổi điên trở phần ứ ng.

- Điều chỉnh điện áp U phần ứng.

Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng

Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm;  = đm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Ta thấy khi điện trở càng lớn thì 𝛽 càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn.

9 Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ.

Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.

 Đặc điऀm của phương pháp o Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. o Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm). o Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ.

 Đánh giá các chỉ tiêu điu khiऀn o Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. o Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh

D = max / min càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 o Giá thành rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn. o Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.

Phương pháp 2: Thay đổi từ thông 

Giả thiết U= Uđm; Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ.

Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.

Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa ( max) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông  tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức.

Khi giảm  thì tốc độ không tải lý tưởng

𝜔 0 = 𝑈 đ𝑚 ∙ 𝑡𝑎𝑛𝑔, còn độ cứng đặc tính cơ

Ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên:

Hình 1 1 Đặc tính của động cơ điện khi giảm từ thông

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ.

 Đặc điऀm của phương pháp o Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng. o Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức. o Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch. o Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi.

 Đánh giá các chỉ tiêu điu khiऀn o Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. o Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 :1 o Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với   1 o Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ

– 10) %Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).

 Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.

Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

Nguyên lý điu khiऀn: Ở phương pháp này: U = var;

Khi thay đổi phần ứng (thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lí tưởng o = U /k. thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng.

Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức.

 Đặc điऀm của phương pháp: o Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp. o Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. o Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh. o Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm. o Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển. o Phương pháp này điều khiển với moomen không đổi với  và 𝐼 ư đều không đổi.

 Đánh giá chi tiêu điu khiऀn o Sai số tốc độ lớn (sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên) o Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi Các bộ biến đổi hiện này đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục. o Dải điều chỉnh có thể đạt được D:1. o Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều.

PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Phân Tích Vật Lý

Xét phần ứng của động cơ

𝑉(𝑡) là điện áp đầu vào (V).

𝑈 𝑅ư (𝑡) là điện áp của điện trở (V).

𝑈𝐿ư(𝑡) là điện áp hai đầu của cuộn cảm (V).

Với: 𝑅 ư là giá trị điện trở (Ω).

𝐿ư là giá trị điện cảm (H). w là vận tốc góc quay của trục (rad/s).

Phương trình chuyển động quay của phần động cơ:

Hình 2.2: Sơ đ phần động cơ

𝑏 là hệ số cản của động cơ (Nms/rad).

𝐽 là momen quán tính (Nms/rad).

Biến đổi Laplace phương trình (2.3) và (2.5):

Hàm truyền hệ thống

Mô hình hóa hệ thống

Hình 2.3: Mô hình hóa hệ thống

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Hình 3.1: Sơ đ mạch điện hệ thống

+ Bước 1: Đặt 0-junctions tại các vị trí a, b, c, d, e có điện thế khác nhau

+ Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch (Rư, Lư, Rkt, Lkt) bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond

+ Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các bond trong mô hình

Hình 3.2: Bước 1, 2, 3 xây dựng biểu đ bond graph

+ Bước 4: Tại các vị trí có thế đất đã được xác định, xóa bỏ các 0-junctions và tất cả các bonds kết nối đến nó

Hình 3.3: Bước 4 xây dựng biểu đ bond graph

+ Bước 5: Đơn giản hóa các bond graphs theo nguyên tắc

Hình 3.4: Bước 5 xây dựng biểu đ bond graph

Xây dựng quan hệ nhân quả

Hình 3.5: Quan hệ nhân quả trong biểu đ bond graph

Xây dựng hệ thống điều khiển hở

Hình 3.6: Hệ thống điu khiển hở

Xây dựng hệ thống điều khiển kín

Hình 3.7: Hệ thống điu khiển kín

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ

Hệ thống điều khiển hở

Nhập các thông số cho hệ thống:

 Điện cảm phần ứng :Lư = 17.5.10-3 H

 Điện trở phần ứng : Rư = 0.5 Ω

 Điện trở mạch kích từ : Rkt = 0.4 Ω

 Điện cảm kích từ :Lkt = 60.10-3 H

 Hệ số cản: b = 6.6.10 -3 Nms/rad

 Momen quán tính J = 0.166 Nms/rad

Hình 4.1: Các thông số hệ thống điu khiển hở

Do thi toc do theo thoi gian

Hình 4.2: Đ thị tốc độ hệ hở theo thời gian Nhận xét:

- Từ đồ thị tốc độ theo thời gian (hình 4.2) của hệ thống điều khiển hở, ta thấy tốc độ tối đa hệ thống đạt được là 𝜔 ≈ 229 rad/s.

- Thời gian đáp ứng khoảng 3s.

- Hệ thống không có vọt lố.

Hệ thống điều khiển kín

4.2.1 Hệ thống điu khiऀn kín với bộ điu khiऀn P

Hình 4.3: Hệ thống điu khiển kín với bộ điu khiển P

Mô tả: Hình 4.3 là hệ thống điều khiển kín sử dụng bộ điều khiển P Giả sử ta đặt tốc độ cần đạt được ở khối set_speed là 𝜔0 = 100 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Hệ thống có thêm tải được mô phỏng bẳng khối MSE, giá trị đặt cho khối Driven_load là -10 Thay đổi giá trị của Kp để đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều.

Do thi toc do theo thoi gian

Do thi toc do theo thoi gian

0 2 c KpP Hình 4.4: Đ thị tốc độ hệ thống kín với bộ điu khiển P Thông số thu được:

Bảng 4.1: Các thông số thu được của hệ thống kín với bộ điu khiển P

𝜔𝑚𝑎𝑥 (rad/s) Sai số xác lập (%) Thời gian xác lập (s)

Do thi toc do theo thoi gian

Từ bảng 4.1 của hệ thống điều khiển kín với bộ điều khiển P, ta thấy khi tăng giá trị của Kp:

- Thời gian xác lập giảm.

- Sai số xác lập giảm.

4.2.2 Hệ thống điu khiऀn kín với bộ điu khiऀn PD

Hình 4.5: Hệ thống điu khiển kín với bộ điu khiển PD

Mô tả: Hình 4.5 là hệ thống điều khiển kín sử dụng bộ điều khiển PD Giả sử ta đặt tốc độ cần đạt được ở khối set_speed là 𝜔0 = 200 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Hệ thống có thêm tải được mô phỏng bẳng khối MSe, giá trị đặt cho khối Driven_load là -10 Giữ nguyên giá trị Kp = 2, thay đổi giá trị Kd để đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều.

Do thi toc do theo thoi gian

Do thi toc do theo thoi gian

250 Do thi toc do theo thoi gian

Thoi gian {s} c) Kd Hình 4.6: Đ thị tốc độ hệ thống kín với bộ điu khiển PD Thông số thu được:

Bảng 4.2: Các thông số thu được của hệ thống kín với bộ điu khiển PD

𝜔 𝑚𝑎𝑥 (rad/s) Sai số xác lập (%) Thời gian xác lập (s)

Từ bảng 4.2 của hệ thống điều khiển kín với bộ điều khiển PD, ta thấy khi tăng giá trị của Kd:

- Thời gian xác lập giảm.

- Sai số xác lập giảm.

4.2.3 Hệ thống điu khiऀn kín với bộ điu khiऀn PI

Hình 4.7: Hệ thống điu khiển kín với bộ điu khiển PI

Mô tả: Hình 4.7 là hệ thống điều khiển kín sử dụng bộ điều khiển PI Giả sử ta đặt tốc độ cần đạt được ở khối set_speed là 𝜔0 = 200 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Hệ thống có thêm tải được mô phỏng bẳng khối MSe, giá trị đặt cho khối Driven_load là -10 Giả sử giữ nguyên giá trị Kp = 5, thay đổi giá trị Ki để đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều.

Do thi toc do theo thoi gian

Do thi toc do theo thoi gian

Do thi toc do theo thoi gian

Thoi gian {s} c) Ki0 Hình 4.8: Đ thị tốc độ hệ thống kín với bộ điu khiển PI Thông số thu được:

Bảng 4.3: Các thông số thu được của hệ thống kín với bộ điu khiển PI

𝜔 (rad/s) Sai số xác lập (%) Thời gian xác lập (s)

Từ bảng 4.3 của hệ thống điều khiển kín với bộ điều khiển PI, ta thấy khi tăng giá trị của Ki:

- Thời gian xác lập hầu như không thay đổi.

- Sai số xác lập nhỏ.

4.2.4 Hệ thống điu khiऀn kín với bộ điu khiऀn PID

Hình 4.9: Hệ thống điu khiển kín với bộ điu khiển PID

Mô tả: Hình 4.9 là hệ thống điều khiển kín sử dụng bộ điều khiển PID Giả sử ta đặt tốc độ cần đạt được ở khối set_speed là 𝜔0 = 200 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Hệ thống có thêm tải được mô phỏng bẳng khối MSe, giá trị đặt cho khối Driven_load là -10 Giả sử chọn bộ PID có giá trị các hệ số Kp = 1; Kd = 10; Ki = 10, thay đổi lần lượt các giá trị Kp, Kd, Ki để đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều.

250 Do thi toc do theo thoi gian

Thoi gian {s} a) Kp = 1; Kd = 10; Ki = 10

Do thi toc do theo thoi gian

Do thi toc do theo thoi gian

Thoi gian {s} c) Kp = 1; Kd = 50; Ki = 10

Do thi toc do theo thoi gian

Thoi gian {s} d) Kp = 1; Kd = 10; Ki = 11 Hình 4.10: Đ thị tốc độ hệ thống kín với bộ điu khiển PID

Bảng 4.4: Các thông số thu được của hệ thống kín với bộ điu khiển PID

Kp/Kd/Ki 𝜔 𝑚𝑎𝑥 (rad/s) Sai số xác lập (%) Thời gian xác lập (s)

Từ bảng 4.4 của hệ thống điều khiển kín với bộ điều khiển PID, ta thấy:

- Khi tăng Kp: Sai số xác lập giảm, thời gian xác lập giảm.

- Khi tăng Kd: Sai số xác lập giảm, thời gian xác lập giảm.

- Khi tăng Ki: Sai số xác lập giảm, thời gian xác lập tăng.

Giới thiệu tổng quan

Động cơ nam châm vĩnh cửu là gì? Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ 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 điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu

 Trong thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu được chia thành 2 loại chủ yếu dưới đây:

 Động cơ nam châm vĩnh cửu có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài nghìn MW Cuộn kích từ được cuốn theo 1 cực ẩn hoặc cực lồi.

 Động cơ nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ Hiện nay còn có 1 loại động cơ đặc biệt: động cơ bước, hay còn gọi là step motor.

 Theo kết cấu thì có thể chia thành:

 Máy điện đồng bộ cực ẩn: Thích hợp với những chiếc máy điện có tốc độ cao (Thường có số cực là 2p = 2)

 Máy điện đồng bộ có cực lồi: Thích hợp với những máy có tốc độ thấp (Thường có số cực là 2p ≥ 4).

 Theo chức năng, máy điện đồng bộ lại được chia thành:

 Máy phát điện đồng bộ: Sử dụng tua bin nước, tua bin hơi hoặc là động cơ diezen…giúp kéo trục Rotor để phát ra điện.

 Động cơ điện đồng bộ: Thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và kéo được các tải ít có yêu cầu điều chỉnh lại tốc độ hay khởi động lại.

 Máy bù đồng bộ: Được dùng chủ yếu để cải thiện hệ số Cosφ bên trong lưới điện.

Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt như: máy đồng bộ tần số cao, máy biến đổi 1 phần ứng, các máy đồng bộ công suất nhỏ thường dùng trong các thiết bị tự động, các thiết bị điều khiển, chẳng hạn như: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước, động cơ đồng bộ phản kháng…

Hình 5.1: Động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đng bộ đặc biệt sau:

Cấu tạo và nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu

5.3.1 CĀu tạo của động cơ nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như

 Stator: 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 (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho 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).

Hình 24:Cấu tạo động cơ điện 1 chiu DC

5.3.2 Nguyên lí hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu

Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnh lưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

Hình 12.2: Nguyên tắc hoặt động của động cơ điện 1 chiu

Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài thì động cơ này sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này sẽ tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng Dòng điện chạy qua động cơ sẽ được tính theo công thức sau:

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

Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu

 Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao trên rotor.

 Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí.

 Không gây nhiễu khi hoạt động.

 Dải tốc độ rộng Những ưu điểm và nhược điểm củ

 Mật độ công suất lớn.

 Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).

 Mô men điều khiển được ở vị trí bằng không.

 Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.

 Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo có giá thành cao.

 Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ.

Ứng dụng

 Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc,…cũng như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cách nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể.

 Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở nên đa dạng và phổ biến hơn cả.

 Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn

 Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT PHƯƠNG

TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

6.1 Phân tích vật lý mô hình hệ thống động cơ điện một chiều

Hình 26: Mô hình động cơ Dc thái:

Các thông số hệ thống:

 Hệ số cản b = 6.6 10 −3 Nms/rad

 Tín hiệu vào: Điện áp V

 Tín hiệu ra: Xác định vị trí (θ).

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

Xây dựng hàm truyn của hệ thống : Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:

𝑑𝑡 (Suất điện động phần ứng của động cơ)

 V =L.𝐼+ R.I + K.𝜃̇ (theo hàm thời gian) (6.3) Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:

Nên ta có: K.I = J.𝜃̈ + b.𝜃̇ (theo hàm thời gian) (6.5) Trong đó:

 𝑀 𝑡 = 0 vì hệ thống động cơ quay không tải.

Phương trình hàm truyền của hệ thống: Đầu vào là điện cảm ứng V(s), đầu ra là góc quay 𝜃.

6.2 Xây dựng phương trình không gian trạng thái:

Chọn đặt các biến trạng thái 𝜃 (𝑔ó𝑐 𝑞𝑢𝑎𝑦), 𝜃̇ (𝑣ậ𝑛 𝑡ố𝑐 𝑞𝑢𝑎𝑦), 𝐼 (dòng điện) Với tín hiệu đầu vào của hệ thống là điện áp V và tín hiệu đầu ra của hệ thống là góc quay (𝜃).

Phương trình biểu diễn các biến trạng thái

Ta có phương trình không gian trạng thái:

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 7.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph:

Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.

Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào (V), điện trở phần ứng (R) và điện cảm phần ứng (L) Bên còn lại chứa các thành phần quán tính (J) và hệ số cản (b).

Xây dựng biểu đồ Bond Graph của hệ thống bao gồm các bước:

Bước 1: Đặt 0-junctions vào các vị trí có điện áp khác nhau ở hệ thống điện và đạt

1- junction vào các vị trí có tốc độ trong hệ thống cơ:

Hình 8: Sơ đ Bond Graph ở bước 1

Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond ở hệ thống điện và 0-junction bằng đường power bond ở hệ thống cơ:

Bước 3: Gán chiều công suất cho toàn bộ hệ thống:

Bước 4: Rút gọn các 0-Junction và 1-Junction

Bước 5: Biểu diễn mỗi quan hệ nhân quả.

 I (L): Phần tử cảm kháng của cuộn cảm phần ứng.

 R (R): Phần tử trở kháng của điện trở phần ứng.

 GY (Gyrator Element): Con quay hồi chuyển (Phần tử chuyển đổi từ điện sang cơ)

 I (J): Phần tử cảm kháng của momen quán tính.

 R (b): Phần từ trở kháng (hệ số cản).

Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V Vì vậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph Sau đó, Se chia sẻ cùng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điện trở phần ứng) Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để kết nối hai thành phần trên với nguồn e.

Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) được sử dụng như là một liên kết giữa một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí.

Phần tử GY mô tả mối quan hệ giữa góc của động cơ (𝜃 𝑀 ) với suất điện động (VM) (mechanical flow and electrical effort) và dòng điện (IM) với mô men quay (TM) (electrical flow and mechanical effort).

Bên phía cơ khí, do tải bên trong bao gồm quán tính và ma sát quay Do đó, hai thành phần này được liên kết với GY thông qua liên kết 1 (Junction 1).

Sử dụng bộ điều khiển PID để xử lý tín hiệu hệ thống.

Hình 31: Sơ đ hệ thống và bộ điu khiển

Trong các thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển là phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu vào thực tế và đầu ra mong muốn) Cấu trúc của hệ thống điều khiển vị trí của động cơ điện nam châm vĩnh cửu được biễu diễn bằng biều đồ Bond Graph như sau:

Hình 32: Biểu đ Bond Graph với hệ điu hiển PID

Biểu đồ trên biểu diễn, tín hiệu về vị trí động cơ được tính toán thông qua khâu tích phân từ tín hiệu tốc độ được xuất ra trước đó, Sau đó so sánh với giá trị đặt (Constant) Sự sai lệch khi so sánh 2 giá trị đó dẽ được đưa vào bộ điều khiển PID PID xử lý và gửi lại tín hiệu điều khiển về Mse để điều khiển động cơ. Ưu điểm của bộ điều khiển PID so với các bộ điều khiển tích phân, vi phần, tỷ lệ… là có thể giảm sai số xác lập đến giá trị tối thiểu nhất, han chế độ giao động, giảm thời gian xác lập và độ vọt lố bởi vì bộ điều khiển có thể thay đổi, lựa chọn được các thông số Kp, Ki, Kd một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng ổn định của hệ thống.

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG PHẦN

8.1 Mô phỏng và đánh giá đặc tính vị trí của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu.

* Đánh giá đặc tính hệ hở:

Hình 33: Bảng thông số hệ thống

Hình 34:Biểu đồ Bond Graph hệ hở

Hình 35: Biểu đồ đặc tính vị trí hệ thống Ở hệ thống hở góc của động cơ tỷ lệ thuận theo thời gian Để điều khiển hệ thống này để tín hiệu đầu ra phù hợp với yêu cầu bài toán thì chúng ta sẽ kết hợp thêm 1 bộ điều khiển phản hồi vào hệ thống.

8.2 Thiết kế hệ thống điều khiển:

Hình 36: Hệ thống hở sử dụng bộ điu khiển P

Hình 37: Đặc tính vị trí với Kp = 0.8

Biểu đồ hệ thống kín với bộ điều khiển P:

Chúng ta khảo sát đáp ứng hệ thống bằng cách thay đổi giá trị của Kp:

Hình 25.4: Đáp ứng hệ thống vơi Kp=0.8.

Nhận xét: Với hệ số Kp = 0.8 thì hệ thống có vọt lố, thời gian đáp ứng chậm Cần phải thay đổi để khảo sát tìm được thông số hợp lý nhất.

Hình 39: Khảo sát đáp ứng hệ thống với hệ số Kp = 10

Chúng ta thấy khi thay đổi hệ số Kp = 10 thì độ vọt lố tăng, nhưng thời gian đáp ứng được nhanh hơn.

Hình 40: Khảo sát đáp ứng hệ thống với hệ số Kp = 0.1.

Với hệ số Kp = 0.1 thì chúng ta thấy đáp ứng hệ thống ổn định hơn, không còn độ vọt lố, tuy nhiên thời gian ổn định khá lớn.

𝑇𝑖 ∫ 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑑𝑡) Biểu đồ hệ thống kín với bộ điều khiển PI:

Hình 8.8: Hệ thống kín sử dụng bộ điu khiển PI

Hình 41: Bảng thông số hệ thống Kp =0.1 và Ki = 1.

Lựa chọn thông số ban đầu:

Hình 42: Đáp ứng hệ thống với Ki = 1.

Chúng ta thấy rằng khi Ki = 1 thì hệ thống bị mất ổn định vì giá trị Ki quá lớn.Chính vì vậy mà chúng ta nên giảm hệ số Ki xuống để đảm bảo đáp ứng tốt chất

Hình 8.11: Đáp ứng hệ thống với hệ số Ki = 0.1

Xây dựng phương trình không gian trạng thái

Chọn đặt các biến trạng thái 𝜃 (𝑔ó𝑐 𝑞𝑢𝑎𝑦), 𝜃̇ (𝑣ậ𝑛 𝑡ố𝑐 𝑞𝑢𝑎𝑦), 𝐼 (dòng điện) Với tín hiệu đầu vào của hệ thống là điện áp V và tín hiệu đầu ra của hệ thống là góc quay (𝜃).

Phương trình biểu diễn các biến trạng thái

Ta có phương trình không gian trạng thái:

Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.

Biểu đồ Bond Graph có hai phía Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt vào (V), điện trở phần ứng (R) và điện cảm phần ứng (L) Bên còn lại chứa các thành phần quán tính (J) và hệ số cản (b).

Xây dựng biểu đồ Bond Graph của hệ thống bao gồm các bước:

Bước 1: Đặt 0-junctions vào các vị trí có điện áp khác nhau ở hệ thống điện và đạt

1- junction vào các vị trí có tốc độ trong hệ thống cơ:

Hình 8: Sơ đ Bond Graph ở bước 1

Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch “single port” bằng kết nối nó với 1-junctions bằng đường power bond ở hệ thống điện và 0-junction bằng đường power bond ở hệ thống cơ:

Bước 3: Gán chiều công suất cho toàn bộ hệ thống:

Bước 4: Rút gọn các 0-Junction và 1-Junction

Bước 5: Biểu diễn mỗi quan hệ nhân quả.

 I (L): Phần tử cảm kháng của cuộn cảm phần ứng.

 R (R): Phần tử trở kháng của điện trở phần ứng.

 GY (Gyrator Element): Con quay hồi chuyển (Phần tử chuyển đổi từ điện sang cơ)

 I (J): Phần tử cảm kháng của momen quán tính.

 R (b): Phần từ trở kháng (hệ số cản).

Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V Vì vậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph Sau đó, Se chia sẻ cùng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điện trở phần ứng) Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để kết nối hai thành phần trên với nguồn e.

Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) được sử dụng như là một liên kết giữa một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí.

Phần tử GY mô tả mối quan hệ giữa góc của động cơ (𝜃 𝑀 ) với suất điện động (VM) (mechanical flow and electrical effort) và dòng điện (IM) với mô men quay (TM) (electrical flow and mechanical effort).

Bên phía cơ khí, do tải bên trong bao gồm quán tính và ma sát quay Do đó,hai thành phần này được liên kết với GY thông qua liên kết 1 (Junction 1).

Hệ thống điều khiển

Sử dụng bộ điều khiển PID để xử lý tín hiệu hệ thống.

Hình 31: Sơ đ hệ thống và bộ điu khiển

Trong các thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển là phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu vào thực tế và đầu ra mong muốn) Cấu trúc của hệ thống điều khiển vị trí của động cơ điện nam châm vĩnh cửu được biễu diễn bằng biều đồ Bond Graph như sau:

Hình 32: Biểu đ Bond Graph với hệ điu hiển PID

Biểu đồ trên biểu diễn, tín hiệu về vị trí động cơ được tính toán thông qua khâu tích phân từ tín hiệu tốc độ được xuất ra trước đó, Sau đó so sánh với giá trị đặt (Constant) Sự sai lệch khi so sánh 2 giá trị đó dẽ được đưa vào bộ điều khiển PID PID xử lý và gửi lại tín hiệu điều khiển về Mse để điều khiển động cơ. Ưu điểm của bộ điều khiển PID so với các bộ điều khiển tích phân, vi phần, tỷ lệ… là có thể giảm sai số xác lập đến giá trị tối thiểu nhất, han chế độ giao động, giảm thời gian xác lập và độ vọt lố bởi vì bộ điều khiển có thể thay đổi, lựa chọn được các thông số Kp, Ki, Kd một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng ổn định của hệ thống.

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG PHẦN

8.1 Mô phỏng và đánh giá đặc tính vị trí của động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu.

* Đánh giá đặc tính hệ hở:

Hình 33: Bảng thông số hệ thống

Hình 34:Biểu đồ Bond Graph hệ hở

Hình 35: Biểu đồ đặc tính vị trí hệ thống Ở hệ thống hở góc của động cơ tỷ lệ thuận theo thời gian Để điều khiển hệ thống này để tín hiệu đầu ra phù hợp với yêu cầu bài toán thì chúng ta sẽ kết hợp thêm 1 bộ điều khiển phản hồi vào hệ thống.

8.2 Thiết kế hệ thống điều khiển:

Hình 36: Hệ thống hở sử dụng bộ điu khiển P

Hình 37: Đặc tính vị trí với Kp = 0.8

Biểu đồ hệ thống kín với bộ điều khiển P:

Chúng ta khảo sát đáp ứng hệ thống bằng cách thay đổi giá trị của Kp:

Hình 25.4: Đáp ứng hệ thống vơi Kp=0.8.

Nhận xét: Với hệ số Kp = 0.8 thì hệ thống có vọt lố, thời gian đáp ứng chậm Cần phải thay đổi để khảo sát tìm được thông số hợp lý nhất.

Hình 39: Khảo sát đáp ứng hệ thống với hệ số Kp = 10

Chúng ta thấy khi thay đổi hệ số Kp = 10 thì độ vọt lố tăng, nhưng thời gian đáp ứng được nhanh hơn.

Hình 40: Khảo sát đáp ứng hệ thống với hệ số Kp = 0.1.

Với hệ số Kp = 0.1 thì chúng ta thấy đáp ứng hệ thống ổn định hơn, không còn độ vọt lố, tuy nhiên thời gian ổn định khá lớn.

𝑇𝑖 ∫ 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑑𝑡) Biểu đồ hệ thống kín với bộ điều khiển PI:

Hình 8.8: Hệ thống kín sử dụng bộ điu khiển PI

Hình 41: Bảng thông số hệ thống Kp =0.1 và Ki = 1.

Lựa chọn thông số ban đầu:

Hình 42: Đáp ứng hệ thống với Ki = 1.

Chúng ta thấy rằng khi Ki = 1 thì hệ thống bị mất ổn định vì giá trị Ki quá lớn.Chính vì vậy mà chúng ta nên giảm hệ số Ki xuống để đảm bảo đáp ứng tốt chất

Hình 8.11: Đáp ứng hệ thống với hệ số Ki = 0.1

Khi thay đổi hệ số Ki nhỏ xuống thì chúng ta thấy rằng hệ thống có có độ vọt lố, có sự ổn định sau 1 khoảng thời gian dài tuy nhiên thời gian ổn định rất lớn.

Hình 8.12: Đáp ứng hệ thống khi hệ só Ki = 10^ (-5)

Chúng ta thấy rằng khi giảm Ki = 10^ (-5) thì hệ thống trở về trạng thái ổn định: Không có độ vọt lố, không có sai số xác lập, hệ thống ổn định khi hoạt động trong thời gian dài Tuy nhiên nhược điểm vẫn là thời gian đáp ứng chậm.

Biểu đồ bond graph hệ thống kín sử dụng bộ điều khiển KD:

Hình 43: Bảng thông số lựa chọn Kp =0.8 và Kd = 0.1

Khảo sát lựa chọn các thông số Kd:

Hình 8.14: Đặc tính hệ thóng với hệ số Kd = 0.1

Hình 8.15: Đáp ứng hệ thông với hệ số Kd =1.

Hình 8.16: Đáp ứng hệ thống với hệ số Kd

Nhận xét: Khi lựa chọn thông số Kd = 0.1 thì đặc tính vị trí của hệ thống chưa đáp ứng được Sau khi khảo sát Kd =1 và Kd thì hệ thống đã đáp ứng được nhưng hệ số Kd =1 cho chất lượng điều khiển tốt hơn.

 Kp: Hệ số tỷ lệ.

 Ki = Kp / Ki: Hệ số tích phân.

 Kd = Kp Td: Hệ số vi phân.

 Ti: Thời gian khâu tích phân.

 Td: Thời gian khâu vi phân.

Khảo sát hệ thống kín có bộ điều khiển PID:

Hình 44: Hệ thống kín dử dụng PID

Do bộ điều khiển PID có tính kế thừa đối với các bộ điều khiển P, PI, PD, ta sẽ lựa chọn các thông số: Kp =0.8, Ki ^ (-5), Kd = 1 ta được đáp ứng hệ thống theo yêu cầu của bài toán Tín hiệu điều khiển tốt: không có độ vọt lố, giá trị xác lập,thời gian ổn định ngắn.

Hình 8.19: Đáp ứng hệ thống với Kp =0.8, Ki ^ (-5), Kd = 1.

Phương pháp điều khiển PID hệ thống đầy đủ Chúng ta có thể đáp ứng được yêu cầu của bài toán bằng cách thay đổi các hệ số Kd, Ki, Kp của bộ điều khiển. Bằng cách khảo sát và lựa chọn lần lượt các hệ số đó và mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-sim để đánh giá chất lượng của hệ thống: độ vọt lố, thời gian xác lập, tính ổn định của hệ thống…

Kinh nghiệm và bài học thu được: Củng cố lại các kiến thức bộ môn Mô hình hóa và mô phỏng Nắm được cách mô hình hóa hệ thống, khảo sát hệ thống, thiết kế được bộ điều kiển PID Biết cách sử dụng phần mền 20 - SIM trong việc vẽ biểu đồ Bond, khảo sát, mô phỏng và thiết kế hệ thống và khai thác đồ thị trên 20 - SIM.

TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO CỦA XE ÔTÔ, XE BUS

Hệ thống treo trên ô tô là gì

Hệ thống treo là bộ phận quan trọng của xe ô tô, chúng quyết định cảm giác lái của xe êm ái hay xóc nảy, ổn định hay không ổn định Đây là bộ phận đóng vai trò trong việc chuyển động của toàn bộ thân xe, đặc biệt khi xe di chuyển qua những cung đường gồ ghề.

Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống treo ô tô là giúp xe chuyển động êm dịu khi đi qua các mặt đường không bằng phẳng Ngoài ra hệ thống treo còn dùng để truyền các lực và mômen từ bánh xe lên khung hoặc vỏ xe, đảm bảo đúng động học bánh xe.

9.1 Cấu tạo hệ thống treo trên ô tô

Cấu tạo một hệ thố ng treo cơ bản có cấu tạo 3 b ộ ph ận chín h là: Bộ phậ n đàn hồ i, Bộ phậ n giả m c hấ n và bộ phậ n dẫ n hư ớng

Bộ phận đàn hồi trên các ô tô hiện nay khá đa dạng như: Lá nhíp, lò xo, thanh xoắn hay khí nén ( dùng trên các mẫu xe hạng sang, xe giường nằm…). Chúng đều có tác dụng tạo điều kiện cho dao động của bánh xe theo phương thẳng đứng, đảm bảo độ êm của xe khi vận hành.

Thiết kế hệ thống điều khiển

Hình 36: Hệ thống hở sử dụng bộ điu khiển P

Hình 37: Đặc tính vị trí với Kp = 0.8

Biểu đồ hệ thống kín với bộ điều khiển P:

Chúng ta khảo sát đáp ứng hệ thống bằng cách thay đổi giá trị của Kp:

Hình 25.4: Đáp ứng hệ thống vơi Kp=0.8.

Nhận xét: Với hệ số Kp = 0.8 thì hệ thống có vọt lố, thời gian đáp ứng chậm Cần phải thay đổi để khảo sát tìm được thông số hợp lý nhất.

Hình 39: Khảo sát đáp ứng hệ thống với hệ số Kp = 10

Chúng ta thấy khi thay đổi hệ số Kp = 10 thì độ vọt lố tăng, nhưng thời gian đáp ứng được nhanh hơn.

Hình 40: Khảo sát đáp ứng hệ thống với hệ số Kp = 0.1.

Với hệ số Kp = 0.1 thì chúng ta thấy đáp ứng hệ thống ổn định hơn, không còn độ vọt lố, tuy nhiên thời gian ổn định khá lớn.

𝑇𝑖 ∫ 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑑𝑡) Biểu đồ hệ thống kín với bộ điều khiển PI:

Hình 8.8: Hệ thống kín sử dụng bộ điu khiển PI

Hình 41: Bảng thông số hệ thống Kp =0.1 và Ki = 1.

Lựa chọn thông số ban đầu:

Hình 42: Đáp ứng hệ thống với Ki = 1.

Chúng ta thấy rằng khi Ki = 1 thì hệ thống bị mất ổn định vì giá trị Ki quá lớn.Chính vì vậy mà chúng ta nên giảm hệ số Ki xuống để đảm bảo đáp ứng tốt chất

Hình 8.11: Đáp ứng hệ thống với hệ số Ki = 0.1

Khi thay đổi hệ số Ki nhỏ xuống thì chúng ta thấy rằng hệ thống có có độ vọt lố, có sự ổn định sau 1 khoảng thời gian dài tuy nhiên thời gian ổn định rất lớn.

Hình 8.12: Đáp ứng hệ thống khi hệ só Ki = 10^ (-5)

Chúng ta thấy rằng khi giảm Ki = 10^ (-5) thì hệ thống trở về trạng thái ổn định: Không có độ vọt lố, không có sai số xác lập, hệ thống ổn định khi hoạt động trong thời gian dài Tuy nhiên nhược điểm vẫn là thời gian đáp ứng chậm.

Biểu đồ bond graph hệ thống kín sử dụng bộ điều khiển KD:

Hình 43: Bảng thông số lựa chọn Kp =0.8 và Kd = 0.1

Khảo sát lựa chọn các thông số Kd:

Hình 8.14: Đặc tính hệ thóng với hệ số Kd = 0.1

Hình 8.15: Đáp ứng hệ thông với hệ số Kd =1.

Hình 8.16: Đáp ứng hệ thống với hệ số Kd

Nhận xét: Khi lựa chọn thông số Kd = 0.1 thì đặc tính vị trí của hệ thống chưa đáp ứng được Sau khi khảo sát Kd =1 và Kd thì hệ thống đã đáp ứng được nhưng hệ số Kd =1 cho chất lượng điều khiển tốt hơn.

 Kp: Hệ số tỷ lệ.

 Ki = Kp / Ki: Hệ số tích phân.

 Kd = Kp Td: Hệ số vi phân.

 Ti: Thời gian khâu tích phân.

 Td: Thời gian khâu vi phân.

Khảo sát hệ thống kín có bộ điều khiển PID:

Hình 44: Hệ thống kín dử dụng PID

Do bộ điều khiển PID có tính kế thừa đối với các bộ điều khiển P, PI, PD, ta sẽ lựa chọn các thông số: Kp =0.8, Ki ^ (-5), Kd = 1 ta được đáp ứng hệ thống theo yêu cầu của bài toán Tín hiệu điều khiển tốt: không có độ vọt lố, giá trị xác lập,thời gian ổn định ngắn.

Hình 8.19: Đáp ứng hệ thống với Kp =0.8, Ki ^ (-5), Kd = 1.

Kết luận chung

Phương pháp điều khiển PID hệ thống đầy đủ Chúng ta có thể đáp ứng được yêu cầu của bài toán bằng cách thay đổi các hệ số Kd, Ki, Kp của bộ điều khiển. Bằng cách khảo sát và lựa chọn lần lượt các hệ số đó và mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-sim để đánh giá chất lượng của hệ thống: độ vọt lố, thời gian xác lập, tính ổn định của hệ thống…

Kinh nghiệm và bài học thu được: Củng cố lại các kiến thức bộ môn Mô hình hóa và mô phỏng Nắm được cách mô hình hóa hệ thống, khảo sát hệ thống, thiết kế được bộ điều kiển PID Biết cách sử dụng phần mền 20 - SIM trong việc vẽ biểu đồ Bond, khảo sát, mô phỏng và thiết kế hệ thống và khai thác đồ thị trên 20 - SIM.

TỔNG QUAN HỆ THỐNG TREO CỦA XE ÔTÔ, XE BUS

Cấu tạo hệ thống treo trên ô tô

Cấu tạo một hệ thố ng treo cơ bản có cấu tạo 3 b ộ ph ận chín h là: Bộ phậ n đàn hồ i, Bộ phậ n giả m c hấ n và bộ phậ n dẫ n hư ớng

Bộ phận đàn hồi trên các ô tô hiện nay khá đa dạng như: Lá nhíp, lò xo, thanh xoắn hay khí nén ( dùng trên các mẫu xe hạng sang, xe giường nằm…). Chúng đều có tác dụng tạo điều kiện cho dao động của bánh xe theo phương thẳng đứng, đảm bảo độ êm của xe khi vận hành.

Bộ phận đàn hồi làm nhiệm vụ hấp thụ những tác động từ mặt đường, giảm nhẹ ảnh hưởng lên khung xe, tạo điều kiện cho bánh xe dao động Bộ phận đàn hồi sẽ nâng đỡ toàn bộ trọng lượng của chiếc xe, giúp xe di chuyển êm ái, không gây khó chịu cho người ngồi bên trong.

-Bộ phận đàn hồi lá nhíp: thường sử dụng trên những chiếc xe tải vì chúng chịu được tải cao nhưng độ êm dịu thấp

-Bộ phận đàn hồi lò xo: thường sử dụng trên xe con nhờ công nghệ đơn giản, độ êm dịu tốt tuy nhiên khó bố trí

-Bộ phận đàn hồi thanh xoắn: được sử dụng trên nhiều dòng xe con, công nghệ chế tạo phức tạp nhưng bù lại dễ bố trí, độ êm dịu cũng tốt

-Bộ phận đàn hồi khí nén: thường sử dụng trên những chiếc xe hơi hạng sang, xe tải hoặc xe bus

-Bộ phận đàn hồi cao su: dạng này ít gặp nhất trong tất cả các dạng của bộ phận đàn hồi

Có nhiệm vụ dập tắt dao động của bánh xe và thân xe một cách nhanh chóng, đảm bảo cho bánh xe bám đường tốt hơn, có cảm giác lái êm dịu hơn cũng như là chuyển động ổn định hơn Bộ phận giảm chấn này còn được gọi với cái tên dễ hiểu hơn là giảm xóc hoặc phuộc Hiện nay, nhiều người thường nghe giảm xóc lò xo lá chính là hệ thống treo sử dụng lá nhíp Hệ thống giảm xóc lò xo sử dụng bộ phận giảm chấn là lò xo Bên cạnh đó, các loại giảm xóc dầu, giảm xóc gas hay giảm xóc hơi là những loại khác nhau phân theo cấu tạo của bộ phận giảm chấn thủy lực Bộ phận giảm chấn có 2 loại:

-Giảm chấn thủy lực: Đa số các dòng xe hiện nay sử dụng loại giảm chấn này Chúng lợi dụng ma sát giữa các lớp dầu lỏng để dập tắt dao động Trong giảm chấn thủy lực cũng được chia ra làm 2 loại nhỏ là giảm chấn dạng ống và giảm chấn dạng đòn.

-Giảm chấn ma sát:Thông qua ma sát giữa các lá nhíp để giảm chấn cho xe Loại này không được sử dụng nhiều vì tính ổn định không cao Phần lớn các xe hiện nay đều sử dụng giảm chấn thủy lực gồm một hệ thống piston và xi-lanh Ngoài ra, số ít các xe sử dụng giảm chấn cơ là các lá nhíp Bộ phận này giúp triệt tiêu dao động của bánh xe và thân xe để đảm bảo cho bánh xe bám đường tốt, giúp xe không bị rung lắc mạnh.

*Bộ phận dẫn hướng: Bộ phận dẫn hướng chịu trách nhiệm giữ cho xe dao động trong mặt phẳng thẳng đứng, chạy đúng tính chất chuyển động đối với khung vỏ xe giúp cho xe di chuyển ổn định, đầm chắc và êm mượt Ngoài ra, bộ phận này còn có chức năng tiếp nhận và truyền lực, momen giữa bánh xe và phần khung vỏ của xe

Có 2 kiểu dẫn hướng chính là dùng nhíp (đối với xe tải) và dùng các cơ cấu tay đòn (xe con).

Chức năng của hệ thống treo trên ô tô

Công dụng của hệ thống treo trên ô tô là đảm nhận nhiều vai trò khác nhau như: chịu sức nặng của xe, tạo cảm giác êm ái, giảm xóc khi lái xe và đảm bảo bánh xe chuyển động theo phương thẳng đứng Ngoài ra, hệ thống còn giúp đảm bảo độ bám và ma sát của bánh xe với mặt đường Nhờ đó, xe có thể linh hoạt trong mọi tình huống như phanh, vào cua, tăng tốc hay chuyển hướng Bộ phận cũng giúp xe có thể vận hành êm ái, ổn định, đảm bảo an toàn và thoải mái nhất cho người ngồi trong xe.

Các loại hệ thống treo trên ô tô

9.3.1 Hệ thống treo phụ thuộc

Hệ thống treo phụ thuộc cho phép hai bánh xe chuyển động tương đối với nhau, tuy nhiên chuyển động của chúng vẫn có ảnh hưởng đến nhau Ngày nay, hệ thống treo này xuất hiện phổ biến nhất dưới dạng thanh xoắn (torsion beam) kết hợp với thanh cân bằng (stabilizer bar) Hệ thống này thường được sử dụng ở xe tải hoặc bán tải, hầu hết các mẫu SUV khung xe rời (body on frame) và bán tải tại Việt Nam đều sử dụng hệ thống treo dạng này. Ưu điểm của hệ thống treo phụ thuộc là cấu tạo đơn giản, ít linh kiện Nhờ đó, việc bảo dưỡng tháo lắp để sửa chữa sẽ đơn giản hơn với chi phí bảo dưỡng hiển nhiên cũng sẽ thấp hơn Dù có cấu tạo đơn giản, vật liệu sử dụng của hệ thống này thường là loại cứng, có khả năng chịu tải tốt Điểm này lí giải vì sao hệ thống treo này thường được sử dụng trên các xe tải, xe bán tải và những mẫu xe SUV cỡ lớn tại Việt Nam.

Tuy nhiên, hệ thống treo này vẫn tồn tại những điểm trừ cố hữu Cũng bởi vì có cấu tạo từ các vật liệu khá cứng, xe không được êm ái, người ngồi trong xe sẽ bị xóc. Ngoài ra, khi chạy ở tốc độ cao, nếu tài xế vào cua gấp sẽ gây ra hiện tượng trượt bánh làm mất lái và có thể dẫn đến tai nạn.

9.3.2 Hệ thống treo độc lập

Khác với hệ thống treo phụ thuộc, ở hệ thống này, các bánh xe được gắn với thân xe một cách “độc lập” với nhau Qua đó, hai đầu bánh xe có thể chuyển động riêng lẻ, dịch chuyển tự do mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau Nhờ vậy, các dao động từ mặt đường lên khung vỏ xe có thể được kiểm soát tốt hơn.

So với hệ thống treo phụ thuộc, phần không được treo nhỏ nên khả năng bám đường của bánh xe cao, tính êm dịu chuyển động cao Tương ứng với việc bố trí và sắp xếp các tay đòn mà hãng sản xuất sẽ tạo ra những kiểu hệ thống treo khác nhau như hệ thống treo MacPherson, hệ thống treo tay đòn kép (double wishbone), hệ thống treo đa liên kết (multi-link),…

Hệ thống treo độc lập được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến trên ô tô Các kiểu hệ thống treo độc lập tiêu biểu là hệ thống treo MacPherson, hệ thống treo tay đòn kép(double wishbone), hệ thống treo đa liên kết (multi-link),…

9.3.3 Hệ thống treo bán độc lập

Hệ thống treo bán độc lập còn được gọi với cái tên khác là hệ thống treo chùm xoắn Hệ thống cho phép 2 bánh xe chuyển động khá riêng lẻ tuy nhiên chuyển động của chúng vẫn có ảnh hưởng đến nhau.

Ngày nay, hệ thống treo này xuất hiện phổ biến nhất dưới dạng thanh xoắn (torsion beam) kết hợp với thanh cân bằng (stabilizer bar).

9.3.4 Hệ thống treo cân bằng

Loại hệ thống treo cần bằng này chỉ được sử dụng đối với xe tải 3 cầu trở lên thì mới có thêm loại treo cân bằng (thăng bằng) được bố trí giữa 2 cầu chủ động liên tiếp làm tăng khả năng chịu tải trọng cho xe.

XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ HỆ TREO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÍ

10.1 Phân tích mô hình hệ thống treo xe bus

- Khối lượng thân xe: 2500kg

- Khối lượng bánh xe: 320kg

- Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m

- Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m

- 𝑋1 − 𝑋2: Khoảng cách giữa thân xe và vật treo

- 𝑋2 − 𝑊: Khoảng cách giữa vật treo và mặt đường

-Vì khoả ng cách (𝑋 1 - 𝑊) rấ t khó đo lư ờ ng và độ biế n dạ ng củ a vậ t treo (lố p) so vớ i mặ t đư ờ ng (𝑋 2 - 𝑊) không đáng kể , khoả ng cách (𝑋 1 - 𝑋 2 ) sẽ đư ợ c sử dụ ng thay cho (𝑋 1

- 𝑊) để làm tín hiệ u đầ u ra trong bài toán điề u khiể n.

Phân tích Body Mass khối lượng M1, giả sử Suspension Mass khối lượng M2 cố định

- Vật Body Mass chịu tác dụng của các lực: 𝐹𝑘1, 𝐹𝑏1 (Hình 1)

- Chọn chiều dương cùng chiều X1

- Trong đó:𝐹𝑘1 = 𝑘1(𝑋1 − 𝑋2) là lực của lò xo k1

𝐹𝑏 1 = 𝑏 1 (𝑋̇ 1 − 𝑋̇ 2 ) là lực của giảm chấn b1

- Theo định luật II newton:

Phân tích Suspension Mass khối lượng M2, giả sử Body Mass khối lượng M1 cố định

- Vật Suspension System chịu tác dụng của các lực: 𝐹𝑘1, 𝐹𝑏1, 𝐹𝑘2, 𝐹𝑏2 (hình 2)

- Chọn chiều dương cùng chiều X2

- Trong đó: 𝐹𝑘1 = 𝑘1(𝑋 1 − 𝑋2) là lực của lò xo k1

𝐹𝑏 1 = 𝑏 1 (𝑋̇ 1 − 𝑋̇ 2 ) là lực của giảm chấn b1

𝐹𝑘2 = 𝑘2(𝑋 2 − 𝑊) là lực của lò xo k2

𝐹𝑏 2 = 𝑏 2 (𝑋̇ 2 − 𝑊̇ ) là lực của giảm chấn b2

- Theo định luật II newton:

- Biến đổi (3.4) về dạng ma trận:

- Tính cách phần bù đại số:

- Ta tìm được ma trận phụ hợp

- Ta tìm được ma trận 𝐴 −1

- Tín hiệu đến đầu vào là 𝑾(𝒔), đầu ra là 𝑿𝟏(𝒔) − 𝑿𝟐(𝒔) ta được hàm ( truyền 𝑮(𝒔) như sau:

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND-GRAPH Đối với hệ thống điện

Bước 1: Tại mỗi vị trí trong mạch điện có điện thế khác nhau,đặt các Junction 0. Bước 2: Chèn mỗi phần tử 1 cổng bằng cách kết nối với các Junction 1 bằng các đường kiên kết và chèn vào giữa các Junciton 0 có liên quan.

Bước 3: Gán các công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ.

Bước 4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định thì xoá bỏ các Junction 0 và các đường liên kết với nó.

Bước 5: Tối giản hoá sơ đồ theo nguyên tắc. Đối với hệ thống cơ

Bước 1: Tại mỗi vị trí có vận tốc khác nhau đặt các Junction 1.

Bước 2: : Chèn 1-port lực (mô men cho chuyển động quay) tạo ra các phần tử giữa các cặp 1-Junction bằng cách sử dụng 0-Junction Đưa vào các phần tử dung kháng và trở kháng tới power bonds và kết nối chúng tới 1-junctions 1 sử dụng 0- junctions Phần tử quán tính được thêm vào 1-juntions.

Bước 3: Gán chiều công suất cho tất cả các phần tử trong hệ thống

Bước 4: Loại bỏ tất cả các 1-Junction có vận tốc bằng 0 và các bond kết nối với nó. Bước 5: Tối giản hóa sơ đồ theo nguyên tắc.

11.1 Xây dựng biểu đồ Bond-Graph mô tả hệ thống treo xe bus

Bước 1: Tại mỗi vị trí có vận tốc khác nhau đặt các Junction 1.

Bước 2: Chèn 1-port lực tạo ra các phần tử giữa các cặp 1-Junction bằng cách sử dụng 0-Junction Phần tử quán tính được thêm vào 1-juntions.

Bước 3: Liên kết các Junction 0 và Junction 1 và gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

Bước 4: Loại bỏ tất cả các 1-Junction có vận tốc bằng 0 và các bond kết nối với nó.

Bước 5: Tối giản hóa sơ đồ theo nguyên tắc.

11.2 Xây dựng quan hệ nhân quả

Hình 11.1: Quan hệ nhân quả trong biểu đ bond graph

11.3 Xây dựng hệ thống điều khiển hở

11.4 Xây dựng hệ điều khiển kín

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH GIAO ĐỘNG CỦA

THÂN XE 12.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-SIM

− Nhập thông số các đại lượng vào phần mềm:

+ Khối lượng thân xe: 2500 (kg)

+ Khối lượng bánh xe: 320 (kg)

+ Hệ số cản hệ treo b1 : 350 (Ns/m)

+ Hệ số cản hệ treo b2 : 15020 (Ns/m)

+ Tín hiệu xác lập mong muốn = 0

+ Tín hiệu điều khiển u từ bộ điều khiển PD (kP, tauD)

+ Xe đi qua phần lõm 0,01(m) = 10(cm) từ 0(s) đến 0,1(s)

Hình 12.2 Nhập thông số vào hệ thống

12.1.2 Mô phỏng hệ thống lúc không có tín hiệu điu khiऀn u

Hình 12.3 Biểu đ Bond Graph lúc không có tín hiệu điu khiển u

− Nhập các thông số và lựa chọn đầu ra là vị trí của Thân xe (M1):

Hình 12.4 Sự giao động của thân xe (M1) khi không có tín hiệu điu khiển u

Ta thấy khi xe đi qua vùng lõm 10cm thì thân xe giao động từ -5cm đến 5cm; Và sau khoảng 28s thì thân xe mới cân bằng hơn, giao động trong khoảng

-5mm đến 5mm Hệ thống làm việc chưa hiệu quả so với yêu cầu.

12.1.3 Mô phỏng hệ thống có Bộ điu khiऀn P có hồi tiếp

Hình 12.5 Biểu đ Bond Graph khi có tín hiệu điu khiển u của Bộ điu khiển

− Thay kP = 1000 vào bộ điều khiển P ta được:

− Thay kP = 100,000 vào bộ điều khiển P ta được:

Hình 12.7 Sự giao động của thân xe khi kP0,000

Ta thấy khi thay kP 0,000 vào Bộ điều khiển P thì thân xe đã giao động nhỏ hơn so với trước, chỉ giao động từ -3.2cm đến 3.2cm; Và sau khoảng 28s thì thân xe mới cân bằng Hệ thống làm việc vẫn chưa hiệu quả so với yêu cầu.

Vậy bộ điều khiển P chưa làm hệ thống ổn định được, biên độ giao động và thời gian xác lập chưa đáp ứng được yêu cầu Thay các giá trị kP khác hệ thống cũng không thể ổn định nên chúng ta sử dụng Bộ điều khiển PD.

12.1.4 Mô phỏng hệ thống có Bộ điu khiऀn PD có hồi tiếp

Hình 12.8 Biểu đ Bond Graph khi có tín hiệu điu khiển u của Bộ điu khiển

− Thay kP = 100,000 và tauD = 1 vào hệ thống ta được:

Hình 12.9 Sự giao động của thân xe khi kP0,000; tauD=1

Ta thấy hệ thống đã ổn định hơn trước, biên độ giao động của thân xe đã nhỏ hơn từ khoảng – 0.05(cm) đến 0.15(cm) và thời gian xác lập còn khoảng

1(s) nhưng vẫn chưa thoả mãn vì vẫn còn xuất hiện 1 khoảng thời gian giao động lúc đầu và thời gian xác lập vẫn còn lớn nên ta phải giảm chỉ số tauD xuống.

− Thay kP = 100,000 và tauD = 0.5 vào hệ thống ta được:

Hình 12.10 Sự giao động của thân xe khi kP0,000; tauD=0,5

XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ HỆ TREO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÍ

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND-GRAPH

Xây dựng biểu đồ Bond-Graph mô tả hệ thống treo xe bus

Bước 1: Tại mỗi vị trí có vận tốc khác nhau đặt các Junction 1.

Bước 2: Chèn 1-port lực tạo ra các phần tử giữa các cặp 1-Junction bằng cách sử dụng 0-Junction Phần tử quán tính được thêm vào 1-juntions.

Bước 3: Liên kết các Junction 0 và Junction 1 và gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

Bước 4: Loại bỏ tất cả các 1-Junction có vận tốc bằng 0 và các bond kết nối với nó.

Bước 5: Tối giản hóa sơ đồ theo nguyên tắc.

Xây dựng quan hệ nhân quả

Hình 11.1: Quan hệ nhân quả trong biểu đ bond graph

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH GIAO ĐỘNG CỦA THÂN XE

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm 20-SIM

− Nhập thông số các đại lượng vào phần mềm:

+ Khối lượng thân xe: 2500 (kg)

+ Khối lượng bánh xe: 320 (kg)

+ Hệ số cản hệ treo b1 : 350 (Ns/m)

+ Hệ số cản hệ treo b2 : 15020 (Ns/m)

+ Tín hiệu xác lập mong muốn = 0

+ Tín hiệu điều khiển u từ bộ điều khiển PD (kP, tauD)

+ Xe đi qua phần lõm 0,01(m) = 10(cm) từ 0(s) đến 0,1(s)

Hình 12.2 Nhập thông số vào hệ thống

12.1.2 Mô phỏng hệ thống lúc không có tín hiệu điu khiऀn u

Hình 12.3 Biểu đ Bond Graph lúc không có tín hiệu điu khiển u

− Nhập các thông số và lựa chọn đầu ra là vị trí của Thân xe (M1):

Hình 12.4 Sự giao động của thân xe (M1) khi không có tín hiệu điu khiển u

Ta thấy khi xe đi qua vùng lõm 10cm thì thân xe giao động từ -5cm đến 5cm; Và sau khoảng 28s thì thân xe mới cân bằng hơn, giao động trong khoảng

-5mm đến 5mm Hệ thống làm việc chưa hiệu quả so với yêu cầu.

12.1.3 Mô phỏng hệ thống có Bộ điu khiऀn P có hồi tiếp

Hình 12.5 Biểu đ Bond Graph khi có tín hiệu điu khiển u của Bộ điu khiển

− Thay kP = 1000 vào bộ điều khiển P ta được:

− Thay kP = 100,000 vào bộ điều khiển P ta được:

Hình 12.7 Sự giao động của thân xe khi kP0,000

Ta thấy khi thay kP 0,000 vào Bộ điều khiển P thì thân xe đã giao động nhỏ hơn so với trước, chỉ giao động từ -3.2cm đến 3.2cm; Và sau khoảng 28s thì thân xe mới cân bằng Hệ thống làm việc vẫn chưa hiệu quả so với yêu cầu.

Vậy bộ điều khiển P chưa làm hệ thống ổn định được, biên độ giao động và thời gian xác lập chưa đáp ứng được yêu cầu Thay các giá trị kP khác hệ thống cũng không thể ổn định nên chúng ta sử dụng Bộ điều khiển PD.

12.1.4 Mô phỏng hệ thống có Bộ điu khiऀn PD có hồi tiếp

Hình 12.8 Biểu đ Bond Graph khi có tín hiệu điu khiển u của Bộ điu khiển

− Thay kP = 100,000 và tauD = 1 vào hệ thống ta được:

Hình 12.9 Sự giao động của thân xe khi kP0,000; tauD=1

Ta thấy hệ thống đã ổn định hơn trước, biên độ giao động của thân xe đã nhỏ hơn từ khoảng – 0.05(cm) đến 0.15(cm) và thời gian xác lập còn khoảng

1(s) nhưng vẫn chưa thoả mãn vì vẫn còn xuất hiện 1 khoảng thời gian giao động lúc đầu và thời gian xác lập vẫn còn lớn nên ta phải giảm chỉ số tauD xuống.

− Thay kP = 100,000 và tauD = 0.5 vào hệ thống ta được:

Hình 12.10 Sự giao động của thân xe khi kP0,000; tauD=0,5

Ta thấy hệ thống lúc này đã ổn định hơn rất nhiều, biên độ giao động lớn nhất của thân xe chỉ còn khoảng 1.6(cm) và sau khoảng 0,5(s) thì biên độ giao động của thân xe đã giảm và nằm trong khoảng -5(mm) đến 5(mm).

12.2 Đánh giá đặc tính giao động của thân xe

Ta thấy thân xe lúc đi qua một đoạn lõm 10(cm) từ 0(s) đến 0.1(s) thì thân xe bị giao động với biên độ giao động lớn từ -5(cm) đến 5(cm) và thời gian xác lập lớn khoảng 28(s) thì hệ thống mới ổn định.

Sau khi thêm tín hiệu điều khiển u từ Bộ điều khiển PD và đặt giá trị kP

= 100,000; tauD = 0,5 (kD = kP.tauD = 50,000) thì ta thấy hệ thống đã thoả mãn yêu cầu đề bài, , biên độ giao động lớn nhất chỉ còn khoảng từ 1.6 (cm) và tiến dần về 0(cm); thời gian xác lập khoảng 0,3(s) thì biên độ giao động của thân xe đã giảm và nằm trong khoảng -5(mm) đến 5(mm).

Mô hình hóa và mô phỏng Hệ thống điều khiển hệ thống treo xe Bus với mục đích hạn chế tối đa sự dao động của thân xe và đảm bảo người ngồi xe thoải mái và êm dịu nhất Ngày nay cùng với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp ô tô đã chế tạo ra nhiều loại ô tô với hệ thống treo có tính năng kỹ thuật rất cao để đảm bảo vấn đề an toàn và tính cơ động của ô tô.

Qua 3 tuần thực hiện đề tài với tất cả những cố gắng của mình cùng với sự hướng dẫn chu đáo nhiệt tình của ThS.Lê Ngọc Duy, nhóm chúng em đã trình bày xong phương pháp, cũng như phương hướng tính toán dao động một hệ thống treo xe bus Nhưng có lẽ vẫn không thể tránh được những thiếu sót.Nhóm chúng em kính mong các thầy cô chỉ bảo để nhóm chúng em hoàn thiện hơn, vững vàng hơn, để có thể tự tin trong quá trình học tập cũng như làm việc của mình sau này Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn.

Kết luận

Mô hình hóa và mô phỏng Hệ thống điều khiển hệ thống treo xe Bus với mục đích hạn chế tối đa sự dao động của thân xe và đảm bảo người ngồi xe thoải mái và êm dịu nhất Ngày nay cùng với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp ô tô đã chế tạo ra nhiều loại ô tô với hệ thống treo có tính năng kỹ thuật rất cao để đảm bảo vấn đề an toàn và tính cơ động của ô tô.

Qua 3 tuần thực hiện đề tài với tất cả những cố gắng của mình cùng với sự hướng dẫn chu đáo nhiệt tình của ThS.Lê Ngọc Duy, nhóm chúng em đã trình bày xong phương pháp, cũng như phương hướng tính toán dao động một hệ thống treo xe bus Nhưng có lẽ vẫn không thể tránh được những thiếu sót.Nhóm chúng em kính mong các thầy cô chỉ bảo để nhóm chúng em hoàn thiện hơn, vững vàng hơn, để có thể tự tin trong quá trình học tập cũng như làm việc của mình sau này Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn.

Ngày đăng: 29/03/2024, 22:21

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w