báo cáo thực hành học phần thiết hệ thống và mô phỏng

Tóm lại, bài thực hành này giúp bạn hiểu rõ hoạt động của bộ Boost Converter, làm quen với việc mô phỏng hệ thống sử đụng các công cụ như Simscape/Power Systems và mô hình trung bình, và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

UNIVERSITY

BAO CAO THUC HANH

HOC PHAN

THIET HE THONG VA MO PHONG

Ho va tén sinh vién: Dang Quang Minh

MSSV: 21012554

Lớp: Tín hiệu và hệ thông-1-2-22(N03.THI)

Hoc ky 1 nam hoc 2023-2024

BAI THUC HANH SO 1: MO PHONG HE THONG DIEU KHIEN BO BOOST

CONVERTER Ngày thực hành:

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Quỳnh I MỤC ĐÍCH

Xây dựng mô hình cho bộ Boost Converter dé hiéu cach hoạt động và làm thế nào tăng áp điện áp đầu ra

Sử dụng mô phỏng băng phần mềm Simscape/Power Systems đề tạo mô hình chính xác hơn về hệ thống điện của bộ Boost Converter và thử nghiệm các tình huống khác nhau

Thực hiện mô phỏng bằng mô hình trung bình đề đơn giản hóa quá trình mô phỏng và hiểu cách xây đựng mô hình trung bình

Tóm lại, bài thực hành này giúp bạn hiểu rõ hoạt động của bộ Boost Converter, làm quen với việc mô phỏng hệ thống sử đụng các công cụ như Simscape/Power Systems và

mô hình trung bình, và cải thiện kiến thức về điện tử công suất và điều khiến

II NOI DUNG

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của sơ đồ hệ thống a Cau tao

Mach Boost Converter la mét hé thống điện tử chuyên đổi DC-DC, được sử dụng dé tăng áp suất đầu vào (điện áp DC) lên áp suất đầu ra cao hơn Cấu tạo của mạch Boost Converter bao gồm các thành phân sau:

Nguồn cấp : Thành phần này là nguồn điện áp DC đầu vào, được kết nối đến mạch đề cung cấp điện năng ban dau

Bộ chuyển đổi công suất : Đây là một thành phần quan trọng, thường là một transistor MOSFET hoac IGBT B6 chuyén đôi nay duoc điều khiến bởi một tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation) để mở và đóng, cho phép luồng điện từ nguồn điện áp

đầu vào tới một cuộn dây

Cuộn dây : Cuộn dây được đặt sau bộ chuyên đôi công suất và chịu trách nhiệm lọc dòng điện, điều chỉnh tín hiệu và tạo ra dòng điện trung bình ổn định

Tụ điện: Được kết nối song song với tải (load) để cung cấp điện áp đầu ra ôn định và bên vững

Điết : Điết chuyên đôi dòng điện từ cuộn dây vào điện áp đầu ra b Nguyên lý làm việc

Nguyên tắc hoạt động của mạch boost converter đựa vào việc chuyên đổi nguồn cấp điện từ nguồn DC đầu vào sang dạng dao động và sử dụng nguyên lý cắt mạch và đóng mạch đê tạo ra điện áp đâu ra cao hơn Mạch hoạt động theo các bước sau:

Bước I: Mạch đóng mạch (ON): Ban đầu, MOSFET được bật (đóng mạch), cho phép dòng điện chảy từ nguồn DC đầu vào qua MOSFET và cuộn tụ đầu vào

Bước 2: Lưu trữ năng lượng: Trong thời gian MOSFET ở trạng thái đóng mạch, năng lượng được lưu trữ trong cuộn tụ đầu vào đưới dạng năng lượng từ nguồn DC

Bước 3: Mạch cắt mạch (OFF): Sau một thời gian xác định, MOSFET được tắt (cắt mạch) Khi MOSFET tắt, dòng điện không thế chảy qua nó nữa, và năng lượng từ cuộn tụ đầu vào không còn đường đi nào để chảy qua MOSFET,

Bước 4: Tạo điện áp đầu ra cao hơn: Khi MOSFET tắt, năng lượng trong cuộn tụ đầu vào tạo ra một dòng điện đi qua diode và cuộn tụ dau ra Do diode chỉ cho phép dòng điện chảy một chiều, nên điện áp đầu ra sẽ cao hơn điện áp đầu vào Lặp lại quá trình: Quá trình trên lặp đi lặp lại để duy trì điện áp đầu ra ôn định Thời gian mà MOSFET ở trạng thái đóng mạch và tắt mạch được điều chỉnh thông qua điều khiến để đảm bảo rằng điện áp đầu ra đáp ứng yêu câu

2 Mô phỏng a Công cụ mô phỏng

Sử dụng tập tin m của MATLAB để xuất file đồ thi kết quả khi mô phỏng Đỗi với

mô phỏng sử dụng mô hình trung bình thì khai báo các thông số của mạch Boost Converter như điện áp đầu vào (Vin), điện áp đầu ra (Vout), tỷ lệ mật độ dòng điện trong cuộn đây (L), tần số hoạt động của bộ công tắc (f), và các thông số khác

Sử dụng Simulink tạo một mô hình tương tác của mạch Boost Converter Sử dụng các khối có sẵn trong Simulink để biêu điễn cuộn dây, bộ công tắc, các phần tử điện tử khác như tụ điện, điện trở, và các khối điều khiến

b Sơ đồ/code mô phỏng

Mo phong sw dung Simscape/Power System

subplot (4,1,1) % Tao khu vuc biểu để con trong hình vẽ số 1 với 4 hàng và ì cột, hiện tại đang ở hàng 1

plot (TIME,VL,'linewidth',2); $ Vẽ biểu để của biến VL trên trục thời gian TIME với độ đậm là 2 hold on; % Bật chế độ "hold on"

plot (TTIME,Vi, 'x——", *1inewidch",1.5)z % Vẽ biểu dé của biến Vi bằng đường nét đứt màu đổ ('r ') với độ đậm là 1.5

set (gca, 'FontName', 'Arial','FontSize',13); % Dat kiểu font và kích thước font cho trục của biểu đổ con hiện tại axis([0.1995 0.200 -20 20]); % Đặt giới hạn trục x va y cho biểu đổ con hiện tại

ylabel('V_L[V]'); % D&t tén truc y cho biểu để con

legend('V_L[V)','V_il[V]"); % Thêm hộp chú thích (legend) cho biểu để con, hiển thị tên của các đường vẽ tương ứng

title('D=0.67'); % D&t tiêu để cho biểu đổ con hold off; % Tat ché d6 "hold on"

grid on; $ Bật lưới (grid) trên biểu đổ con]

subplot (4,1,2)

plot (TIME,iL, 'linewidth',2);

set (gca, 'FontName', 'Arial', 'FontSize',13); axis([0.1995 0.200 0 15]);

ylabel('i L{V)');

grid on;

Hinh 1.1: File.m xudt ra đồ thị

subplot (4,1,3)

plot (TIME,io, 'linewidth',2);

set (gca, 'FontName', 'Arial', 'FontSize',13);

axis([0.1995 0.200 0 10));

ylabel('i_ofA)"); grid on;

subplot (4,1, 4)

plot (TIME,Vo, 'linewidth',2); hold on;

plot (TIME, Vi, 'r ', 'linewidth',1.5);

set(gcea, 'FontName', 'Arial', 'FontSize',13); axis([0.1995 0.200 0 30]);

ylabel('V_i[V]&V _o[V]"); legend('V_o[V]","V_i[v]"):

xlabel('time[sec]'); hold off; grid on; figure (2)

plot (TIME, PulseWidth, 'linewidth',2); set (gca, 'FontName', 'Arial', 'FontSize',13); axis([0.1995 0.200 0 10]);

title('Pulsewidch'); hold on;

Hình 1.2: File.m xuất ra đồ thị

vi=8; R=10; L=0.213*10^-3; C=470*10^-6; fs=20000; vo=24; D=(vo-vi)/vo;

Ass =[1 -(1-D)/L ; (1-D)/C -1/(R*C)]; Bss = [1/L; 0]

Css = [0 lj; Dss = 9| subplot (2,1,1) Pplot (Vo, '1inewidch',2);

Display

Hinh 1.8 : M6 hinh trung bình Kết quả:

Kết luận: Kết quả mô phỏng sử dụng mô hình trung bình có phù hợp với mô phỏng sử dụng Simscape/Power System

Phương pháp điều khiến - Mô hình vật lý sử dụng Simscape/Power System

subplot (2,1,1)

plot (Vo, 'linewidth',2); axis([0 1 20 25])z title('Vo') subplot (2,1,2)

Plot (Vi, 'r ', 'linewidth',1.5); axis([0 1 0 20));

———*⁄?

From Fram

Sar

Hình 1.8: Phương pháp điều khiến - Mô hình vật lý sử dụng Simscape/Power System

function [sys, x0, str, ts] = spacemodel(t, x, u, flag) Switch flag

case 0

(sys, x0, str, ts] = mdlInitializeSizes(); case 1

sys = mdlDerivatives(t, x, u); case 3

sys = mdlOutputs(t, x, u); case {2, 4, 9}

sys = []: otherwise

error(['Unhandled flag = ', num2str(flag)]); end

function [sys, x0, str, ts] = mdlInitializeSizes() sizes = simsizes;

sizes.NumContStates = 2; % iL, Vc sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 2; % iL, Vc

sizes.NumInputs = 2; % Vi, Duty Cycle sizes sizes.DirFeedthrough = 0;

sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes (sizes); x0 = [0; 0];

str = []: ts = [0, 0];

R = 10; L = 0.213e-3; C = 470e-6; Vi = u(l); D = u(2); iL = x(l); Ve = x(2);

% Derivative of iL

sys(l) = (1 -D) /L* Vco+#1/UL * Vi; % Derivative of Vc

sys(2) = (1 - D) / C + iL / (R * C) * Ve; function sys = mdlOutputs(t, x, 1)

Hình 1.10: Phương pháp điều khiển - Sứ dụng mô hình trung bình

Kết luận: Với mô hình trung bình sử dụng S-Function, do chưa fix được file.m nên chưa ra kết quả của hệ thống

HI.NHẬN XÉT

Trong bài thực hành, sinh viên đã thực hiện mô phỏng một hệ thống điều khiến bộ

Boost Converter sử dụng phần mềm mô phỏng hoặc công cụ mô phỏng MATLAB/ Simulink Sinh viên đã tạo mô hình gan như toàn diện cho Boost Converter và thực hiện mô phỏng đề nắm rõ cách hoạt động của nó trong các điều kiện khác nhau Tuy nhiên còn

8

một số phần chưa hoàn thành nhiệm vụ như là chọn hệ số Kp và Ki trong bộ điều khiển

PID khi dùng phương pháp điều khiến, sửa lỗi file m khi sử dụng mô hình trung bình

Kết quả đạt được so với mục đích ban đầu của bài thực hành: Các mức tín hiệu điện áp sau khi mô phỏng tương đồng với lý thuyết và kết quả đề bài cho

Ý nghĩa của bài thực hành: Bài thực hành này có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu cách một bộ Boost Converter hoạt động và làm thế nào để thiết kế và điều khiến nó hiệu quả Boost Converter là một mạch chuyền đổi DC-DC phổ biến được sử dụng dé tang dién áp đầu ra so với điện áp đầu vào, và nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như nguồn cung cấp điện cho các thiết bị di động, hệ thống năng lượng mặt trời và các ứng dụng khác

BÀI THUC HANH SO 2: MO PHONG HE THONG DIEU KHIEN BO NGHICH

LUU BA PHA Ngày thực hành:

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Quỳnh I MỤC ĐÍCH

Hiểu cách xây dựng mô hình bộ nghịch lưu ba pha, bao gồm các phần tử như máy biến dòng điện ba pha, biến áp, các thông số điện cơ học của máy biến dòng, và các thông số liên quan khác

Sử dụng công cụ Simscape/Power Systems để tạo mô hình bộ nghịch lưu ba pha trong môi trường Simulink Điều này giúp bạn mô phỏng các tính năng và hiệu suất của hệ thống

Nắm vững cách sử dụng mô hình không gian trạng thái để mô phỏng hệ thống điều khiển bộ nghịch lưu ba pha giúp theo dõi các biến trạng thái của hệ thông

Học cách thiết lập và điều khiến bộ nghịch lưu ba pha bằng cách sử dụng các phương pháp điều khiến Điều này bao gồm việc thiết lập các thông số điều khiến, điều chỉnh và đánh giá hiệu suất hệ thống

Tóm lại, mục đích chính của bài thực hành này có thể là cung cấp cho học viên hiểu biết và kỹ năng về việc mô phỏng và điều khiến bộ nghịch lưu ba pha, một phần quan trọng của hệ thống điện lưới ba pha Điều này có thê giúp họ hiểu rõ cách hệ thống hoạt động và cách điều khiên nó để đảm bảo ồn định và hiệu suất tốt

Khối VDC Supply (nguồn điện áp liên tục) trong mạch nghịch lưu ba pha chủ yếu là nguồn điện áp đầu vào được biến đổi thành điện áp liên tục để cung cấp năng lượng cho mạch nghịch lưu Khối này bao gồm Bộ chỉnh lưu (Rectifier) đề loại bỏ các biến đôi trong dòng điện và điện áp và tạo ra điện áp liên tục đề cung cấp cho bộ nghịch lưu

10

Bộ lọc LC (L-C Filter) trong mạch nghịch lưu ba pha được sử dụng để loại bỏ các thành phần tần số cao không mong muốn và nhiễu từ dòng điện và điện áp đầu ra, giúp tạo ra một tín hiệu sóng điện áp ba pha liền tục, ôn định và sạch Trong bộ lọc LC, cuộn cảm được đặt trong mạch để tạo ra một điện áp đối pha với dòng điện đầu vào Cuộn cảm có thê được thiết kế với số vòng và tỷ lệ nôi số nhất định để xác định tần số cắt của bộ lọc.Tụ điện được đặt song song với cuộn cảm và tạo ra một tần số cắt thấp trong bộ lọc LC Tụ điện được sử dụng để tạo điện áp đối pha với dòng điện đầu vào

Khối Three-Phase Breaker 1 trong mạch nghịch lưu 3 pha là một công tắc cầu ba pha hoặc cầu cắt ba pha Công tắc này được sử dụng đề ngắt hoặc kết nối đòng điện trong hệ thống nghịch lưu ba pha

Khối Three-Phase-Series Branch (Hay còn gọi là "Three-Phase Series Filter" hoặc "Bộ lọc nối tiếp ba pha") trong mạch nghịch lưu 3 pha được sử dụng để cải thiện chất lượng điện áp và dòng điện ba pha đầu ra

b Nguyên lý làm việc

Tín hiệu vào bắt nguồn từ VDC Supply hoặc các nguồn khác như máy biến áp và bộ chỉnh lưu Điều này tạo ra một nguồn điện áp liên tục ba pha hoặc ba pha đầu vào cho

mạch nghịch lưu Tín hiệu này chứa thông tin về điện áp và dòng điện ba pha ban đâu

Universal Bridge xu ly tín hiệu vào tử nguồn điện áp liên tục vả biến đổi chúng thành điện áp và dòng điện ba pha đầu ra Điều này thực hiện bằng cách sử dụng các linh kiện điện tử IGBT Universal Bridge là nơi điều khiển quá trình nghịch lưu, quyết định tần số, sóc điều khiến và biên độ của điện áp và dòng điện đầu ra

Bộ lọc LUC (L-C Filter) đặt sau Universal Bridge, nhiệm vụ của nó là loại bỏ nhiễu và thành phần cao tần số không mong muốn từ điện áp và dòng điện đầu ra Nó giúp điện áp và dòng điện đầu ra trở nên ôn định và sạch hơn

Công tắc ba pha (Three-Phase Breaker) được đặt sau bộ lọc LC Nó được sử dụng đề kiêm soát dòng điện trong hệ thông Khi cần ngắt dòng điện hoặc kiếm soát luồng dòng điện, công tắc này được kích hoạt dé ngat hoặc kết nối dong dién No dam bao an toan va bao vé cho hé thống và thiết bị kết nối

Three Phase RLC Branch tham gia vào việc điều chỉnh và cân băng dòng điện và điện áp đầu ra theo yêu cầu cụ thể của ứng đụng, điều chỉnh thông số điện của hệ thống, như hệ số công suất và đạng sóng

2 Mô phỏng

11

a Công cụ mô phỏng

Sử dụng tập lệnh MATLAB đề khai báo thông số của mạch nghịch lưu và cung cấp các thông số cho các khối Simulink trong mô hình Điều này giúp điều chỉnh và tùy chỉnh mô hình của mạch nghịch lưu

Sử dụng Simulink, tạo một mô hình tương tác của bộ mạch nghịch lưu b Sơ đồ/code mô phỏng

Frequency 1/fz; & (rad/s) wz 2*pi*fz; $SSampling time Ts 2e-6; Vmax= 2/3*Vdc;

-Vmax;

(Seconds) Tz/100

Vmin fn=60;

Grid Frequency (Hz) w=2*pi*fn;

% (rad/s) Lf=l0e-3; sInductance cf= 6.5e-6;

sCapacitance of LC-filter (F) of LC-filter (H)

(Hz) PWM Period (Seconds)

fc=1/(2*pi*sqrt (Lf*cf)); & cut-off frequency (Hz) kl= 1/cf;

k2 = 1/LE£; sResistive load

Rload_ Linear = 60;

Hinh 2.1: File m khai bdo théng s6 mach

12

Relational Operstor4

Hình 2.5: Subsystem khối tạo xung

0 0.01 002 003 0.04 0.05 0.06 007 0.08 0.09

Ube

500 T T _ T T - T T T T Op ẽT— 7 — _~ _.~ |

500 1 1 1 1 1 1 L L 0 001 002 003 0.04 0.05 0.06 007 0.08 009

Uca

a T — T tO T it T _ T TL —

+~ —— ~~ ~T—— ~~ — _— — —” —¬—— ——

5 L J L J 0 0.01 002 003 0.04 0.05 0.06 007 0.08 009

Hình 2.6: Đồ thị kết quả

Kết luận: Kết quả mô phỏng dạng điện áp đầu ra phù hợp với dạng điện áp 3 pha

HI.NHẬN XÉT

15

Trong bài thực hành, sinh viên đã thực hiện mô phỏng hệ thống bộ điều khiến bộ

ngịch lưu ba pha sử dụng phần mềm mô phỏng hoặc công cụ mô phỏng MATLAB/ Simulink Các kết quả mô phỏng giống với lý thuyết thực nghiêm

Kết quả đạt được so với mục đích ban đầu của bài thực hành: Đồ thị tín hiệu điện áp ra sau khi mô phỏng là dạng điện áp ba pha đúng với yêu cầu để bài

Ý nghĩa của bài thực hành: Bài thực hành này có thể giúp bạn hiểu cách điều khiển và quản lý hệ thống nghịch lưu ba pha, một phần quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và điện lực Nó có thê cải thiện kiên thức và kỹ năng trong lĩnh vực này

1ó

BAI THUC HANH SO 3: MO PHONG HE THONG DIEU KHIEN CANH TAY

ROBOT Ngày thực hành:

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Quỳnh I MỤC ĐÍCH

Hiểu cách mô phỏng và điều khiển một cánh tay robot đơn giản với một bậc tự do, nâng cao kỹ năng mô phỏng và điều khiến, tập trung vào mô hình hóa một cánh tay robot phẳng với hai bậc tự do, một ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực robot học

Sử dụng phần mềm mô phỏng Simscape/Multibody, để mô phỏng hệ thống cơ học đa thê hiện, bao gồm cả robot và các thành phần khác Tìm cách biêu diễn và mô phỏng cánh tay robot bằng mô hình không gian trạng thái

Tóm lai, bài thực hành số 3 giúp học viên phát triển năng lực mô hình hóa, mô phỏng và điều khiến robot, từ những cánh tay đơn giản đến những hệ thống phức tạp hơn, bằng cách sử dụng các công cụ và phương pháp khác nhau

II NỘI DUNG

H.1 Mô hình tay máy một bậc tự do 1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc a Cau tao

Tay may: Đây là bộ phận chính của mô hình, được làm từ các khớp nối động cơ và các khớp nối động cơ này có thê xoay quanh trục tương ứng của chúng Đối với mô hình bậc 1, có một khớp nối động cơ duy nhất, cho phép xoay một phần của tay máy xung quanh trục nỗi động cơ

Động cơ DC: Động co DC được sử đụng để cung cấp nguồn năng lượng để xoay tay máy, để kiếm soát góc xoay và tốc độ của tay máy

Hộp giảm tốc (Gearbox): Hộp giảm tốc được sử dụng đề giảm tốc độ quay của động cơ DC và tăng lực xoay tại khớp của tay máy Điều này giúp tăng sức mạnh và kiểm soát của tay máy

17

Tay máy

Hộp giảm tốc Động cơ DC

Hình 3.1: Cấu tạo tay máy bậc Ì b Nguyên lý làm việc

Nguyên lý hoạt động của mô hình tay máy bậc l tự đo là sử dụng động cơ DC dé tao ra chuyên động quay tại tay máy thông qua hộp giảm tốc Hệ thống điều khiển sẽ điều chỉnh động cơ dựa trên thông tin được nhận để đạt được góc quay mong muốn và thực hiện các nhiệm vụ cụ thê

2 Mô phỏng a Công cụ mô phỏng

Sử dụng tập tin mm của MATLAB để khai báo các thông số của mô hình như khối lượng tay máy (m), momen quán tính đối với trục quay (J), khoảng cách OC (I),gia tốc trọng trường (ø), tỷ số truyền (r) và một số thông số khác

Dùng Simulink dé mô phỏng tương tác hệ thống tay máy bậc I tự do Dùng các khối integrator đề biêu diễn phương trình vi phân, các khối gain đề nhân vói các hệ số, khối to workspace có chức năng xuất dữ liệu về MATLAB đề vẽ đồ thị.Ngoài ra có thể sử dụng subsystem đề đơn giản hóa sơ đồ Phương trình ví phân mô tả:

J = 1; % Momen quan tinh doi voi truc quay 1 = 0.4; $ khoang cach OC

g = 9.81; % gia toc trong trong r= 2;% ty so truyen r = wl/w2

Ke = 1;% Hang so suc phan dien dong (Back EMF) cua rotor Km = 1; tHang so momen

Ra = 1;%Dien tro phan ung DC motor

Jm = 0.001; % Momen quan tinh khoi cua rotor

bl = 0.001; % He so can nhot tai o truc (ma sat nhot tai o b2 = O; tHe so can nhot tren tay may

b = bì;

La = 0.001; Dien cam phan ung DC motor

Hình 3.2: Khai báo thông số đầu vào File m

Hình 3.3: Mô phóng Mô hình tay máy một bậc tự do trên simulink

19