Bài tập lớn môn học mô hình hóa và mô phỏng

Nhưng chung quy lại hệ thống cơ điện tử là để sảnphẩm có thể hoạt động một cách dễ dàng, thuận lợi với yêu cầu của hệ thống đề ra.Trong bài báo cáo này sẽ làm rõ về hệ thống điều khiển t

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Đình Hiếu

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Anh 2018603336

Giáp Hải Bình 2018604533Nguyễn Trọng Vũ 2018602588

Hà Nội-2020

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Đình Hiếu

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Anh 2018603336

Giáp Hải Bình 2018604533Nguyễn Trọng Vũ 2018602588

Hà Nội-2020

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Giáo viên hướng dẫn

ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Giáo viên chấm phản biện

MỤC LỤC

MỤC LỤC IV DANH MỤC HÌNH ẢNH V

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU 8

1.1 ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀ GÌ? 8

1.2 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 8

1.3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 8

1.4 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 9

1.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 10

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ 11

2.1 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 11

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 13

3.1 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH 13

3.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 14

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM 20-SIM 17 4.1 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 17 4.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 19

4.2.1 Bộ điều khiển P 19

4.2.2 Bộ điều khiển PI 23

4.2.3 Bộ điều khiển PD 25

4.2.4 Bộ điều khiển PID 28

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 8

Hình 1.2: Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều 9

Hình 2.1: Mô hình động cơ điện một chiều 11

Hình 3.1: Biểu đồ Bond Graph của động cơ DC nam châm vĩnh cửu 13

Hình 3.2: Chiều effort và flow trong hệ thống 14

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp( feedback control) 15

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 15

Hình 3.5: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID 16

Hình 4.1 Dòng điện phần ứng và momen đầu ra so với thời gian 18

Hình 4.2: Suất điện động và vận tốc góc so với thời gian 18

Hình 4.3 Sự phân bố tổng momen quay giữa phần tử quán tính và phần tử ma sát 19

Hình 4.4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P 20

Hình 4.5: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển P 20

Hình 4.6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với thông số ban đầu 21

Hình 4.7 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=10 21

Hình 4.8 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=100 22

Hình 4.9: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=1000 22

Hình 4.10: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PI 23

Hình 4.11 Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển PI 24

Hình 4.12: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với thông số ban đầu 24

Hình 4.13: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI khi thay KI=10 25

Hình 4.14: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PD 26

Hình 4.15: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển PD 26Hình 4.16: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với thông số ban đầu 27Hình 4.17: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với KD=10 27Hình 4.18: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điềukhiển PID 28Hình 4.19: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển PID 29Hình 4.20: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với thông số ban đầu 29Hình 4.21: Thay đổi Kp=10 30Hình 4.22: Đáp ứng của hệ thống đạt được khi các tham số được hiệu chỉnh30

LỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình sản xuất công nghiệp như hiện nay, các sản phẩm cơ điện tử từchỗ là sản phẩm cơ khí, tự động hóa cứng đã được cải tiến, thiết kế mới thành các sảnphẩm tích hợp Các mạch điện tử đã thay thế một phần chức năng của hệ cơ khí làmcho các bộ phận cơ khí nhỏ gọn và đơn giản hơn, đồng thời đảm đương chức năngthực hiện chương trình hóa Thế hệ các máy móc cồng kềnh đã được thay thế bằngthiết bị nhỏ gọn, tin cậy hơn nhờ các thành tựu mới trong lĩnh vực điện- điện tử và từ

đó tác động trở lại quá trình thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ khí

CŽng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghê • về điều khiển, tự

đô •ng hoá, điê •n tử và k• thuâ • t máy tính cŽng với những ứng dụng rô •ng rãi vào viê •cthiết kế và chế tạo sản phẩm, khái niệm Cơ điện tử tiếp tục phát triển sau này và cónhiều các định nghĩa khác nhau Nhưng chung quy lại hệ thống cơ điện tử là để sảnphẩm có thể hoạt động một cách dễ dàng, thuận lợi với yêu cầu của hệ thống đề ra.Trong bài báo cáo này sẽ làm rõ về hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện mộtchiều nam châm vĩnh cửu bằng cách phân tích vật lí hệ thống đem ra phương trình mô

tả hệ thống, biểu đồ Bond Graph và xây dựng mô hình hóa hệ thống mô phỏng, đánhgiá trên phần mềm 20-sim

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU

1.1 Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu là gì?

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ đượcđiều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơchạy 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

1.2 Cấu tạo và phân loại động cơ điện 1 chiều

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

 Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện

 Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện

 Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

 Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điệncho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứngvới số cuộn dây trên rotor

Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều

Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửuhay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điệnmột 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 bộchổi than tiếp xúc với cổ góp

Hình 1.2: Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều

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 ứngElectromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra mộtđiện 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 tựnhư sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậyđiện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện ápgiáng 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:

I= (V Nguồn −V phandien dong)

R phan ung

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

P=I V phan diendong

1.4 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều

Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều

 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

 Tiết kiệm điện năng.

 Bền bỉ, tuổi thọ lớn

Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều

 Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quátrình 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

1.5 Các ứng dụng của động cơ điện một chiều

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 cáchnhanh 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 thếdần cho những loại động cơ truyền thống Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạtđộng bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bịkhác nhau, mà còn tiết kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể Chính vì thế, ứng dụng củaloại 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 đờisống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệttrong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liêntục trong phạm vi lớn

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

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP

VẬT LÍ

2.1 Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều

Hình 2.3: Mô hình động cơ điện một chiều

Từ phương trình (3) ta có:

I(s) = s (J s+b) θ(s) K (5)Thế (5) vào (4) và biến đổi ta được:

Vì hàm bậc 3 suy giảm rất nhanh về dạng hàm bậc 2 nên ta có thể coi hàmtruyền của hệ là

P(s)=˙θ(s)

V (s)=

K

(J s b+ ).(L s R+ )+K2 (7)

Xây dựng phương trình không gian trạng thái:

Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái Điện áp là đầuvào, đầu ra là tốc độ quay

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH

3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Trong đó:

- Se: Điện áp đặt

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

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

- GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển

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

Hình 3.4: Biểu đồ Bond Graph của động cơ DC nam châm vĩnh cửu

Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V Vìvậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph Sau

đó, Se chia sẻ cŽng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điệntrở phần ứng) Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dŽng để kết nối hai thành phần trênvới nguồn e

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

Phần tử GY mô tả mối quan hệ giữa tốc độ góc của động cơ (ωM) với suất điệnđộng (V ) (mechanical flow and electrical effort) và dòng điện (I ) với mô men quayM M(TM) (electrical flow and mechanical effort)

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

Tiếp theo, ta xác định chiều của effort và flow trong hệ thống:

Hình 3.5: Chiều effort và flow trong hệ thống

Trong đó:

- f1=f2=f3=f4 : Dòng điện phần ứng trong động cơ

- e1 : Điện áp đặt

- e2 : Điện áp trên cuộn cảm

- e3 : Điện áp trên điện trở

- e4 : Suất điện động trong động cơ

- f5=f6=f7: Tốc độ góc của động cơ

- e5 : Momen quay của trục động cơ

- e6 : Momen quán tính của động cơ

- e7 : Momen cản của ma sát

3.2 Xây dựng bộ điều khiển

Điều khiển trạng thái của hệ thống rất quan trọng trong hệ thống thực tế Một hệthống dŽ được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (feedback) của nó hay đầu ra của

hệ thống (output) không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn Bên cạnh đó,nhiễu từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả

là làm thay đổi giá trị mong muốn Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển đểđiều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (input) Bộ điều khiểnđược sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (feedback control), trong đó đápứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (error)trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả Đáp ứng của hệthống được so sánh với điểm đặt (set point) để đạt được sai số Tín hiệu sai số được sửdụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ đượcđiều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp( feedback control)

Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệthống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu

ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào

để giảm thiểu sai số Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng bộ điểukhiển PID PID là viết tắt của proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) và derivative (viphân) Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số( error function)

Cấu trúc của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnhcửu được sử dụng và sơ đồ Bond Graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện đượcthể hiện qua hình dưới đây:

Hình 3.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ

Hình 3.8: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển

PID

Theo sơ đồ trên, ta thấy tín hiệu tốc độ được đưa vào bộ tổng và được so sánh vớigiá trị mong muốn (Set_point) Sau đó, tín hiệu sai lệch được đưa vào bộ điều khiểnPID Bộ điều khiển này xử lý và gửi tín hiệu điều khiển u tác động vào MSe(Modulated effort source) để điều khiển động cơ

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG

TRÊN PHẦN MỀM 20-SIM

4.1 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều

Theo tính chất của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, ta có momenquay được và suất điện động phần ứng được mô tả như sau:

T=Kt*IE=Ke*ω

Mặt khác

I=(V-E)/RTrong đó:

- T: Momen quay của động cơ

Tương tự, ta có suất điện động phần ứng cŽng tỉ lệ thuận với tốc độ quay

Hình 4.9 Dòng điện phần ứng và momen đầu ra so với thời gian

Hình 4.10: Suất điện động và vận tốc góc so với thời gian

Tại thời điểm ban đầu suất điện động (emf) phần ứng rất nhỏ, vì vậy dòng điệnphần ứng và momen cao Khi động cơ chuyển động càng nhanh thì dòng điện vàmomen càng giảm

Hình 4.11 Sự phân bố tổng momen quay giữa phần tử quán tính và phần tử ma sátBiểu đồ thể hiện tổng momen quán tính đầu ra, phần momen được sử dụng đểlàm quay tải Phần còn lại đực sử dụng để vượt qua ma sát Ban đầu hầu hết momenđược dŽng để gia tốc quán tính, nhưng một khi nó đạt đến tốc độ ổn định momen cầnthiết chỉ là phần để vượt qua ma sát.

4.2 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

4.2.1 Bộ điều khiển P

Nếu chúng ta sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ, tín hiệu điều khiển được thể hiện:

Trong đó: error = (đầu ra mong muốn – đầu ra thực tế)

Biểu đồ Bond Graph được thể hiện như sau:

Hình 4.12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P

Hình dưới đây thể hiện các thông số ban đầu được sử dụng trong mô phỏng.Set_point (tốc độ góc mong muốn) được thiết lập là 10 và giá trị K được đặt là 1 P

Hình 4.13: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển P

Hình 4.14: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với thông số ban đầu.Biểu đồ thể hiện một trong nhưng nhược điểm khi sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ Cómột sai số xác lập vẫn được duy trì khi hệ thống ổn định Ta tiếp tục tăng K NếuPKP=10 đáp ứng sẽ thay đổi và được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 4.15 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=10Đáp ứng của hệ thống đã được cải thiện nhưng vẫn có sai lệch giữa giá trị đặt vàgiá trị thực tế Ta tiếp tục tăng K đến 100 ta được đồ thị: