Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ

Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ 1.1. Mô phỏng và các khái niệm cơ bản Mô hình mô phỏng là đối tượng mà cho phép chúng ta quan sát và nhận được những tính chất lặp lại hoàn toàn hoặc một phần so với tính chất của thiết bị thực tế hoặc mô hình nguyên mẫu. Do vậy một mô hình mô phỏng hoàn toàn triệt để giống với quá trình thực tế là không thể có, nó chỉ có thể tương ứng với những mục đích nhất định của quá trình mô phỏng thể hiện các tính chất nhất định của nguyên mẫu nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu. Mục đích của việc tạo ra các mô hình mô phỏng: 1. Mô hình mô phỏng là phương tiện tư duy giúp giải thích sự tương tác giữa các biến số, đặc trưng thay đổi theo thời gian, giúp tìm ra các quy luật hoạt động. Cấu trúc của đối tượng nghiên cứu và các mối liên hệ nguyên nhân – kết quả quan trọng nhất sẽ được gợi mở và làm rõ hơn trong quá trình xây dựng các mô hình mô phỏng. Khi mô phỏng, các đặc tính của nguyên mẫu sẽ lần lượt được thể hiện tùy theo yêu cầu đặt ra đối với hệ thống. 2. Mô hình mô phỏng là phương tiện cho phép dự báo trước trạng thái của đối tượng và điều khiển chúng trên cơ sở thử nghiệm các phương án điều khiển khác nhau. 3. Mô hình mô phỏng là phương tiện thực hiện quá trình thiết kế, bao gồm tất cả các giai đoạn từ phác thảo, thiết kế kỹ thuật đến thiết kế chi tiết. Điều này hoàn toàn trở thành hiện thực nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ các gói ứng dụng chuyên ngành. 4. Việc thử nghiệm trên các đối tượng thực thường không tiện lợi, đôi khi còn nguy hiểm và không thực tế bởi hàng loạt các lý do sau: + Quá trình thử nghiệm bị kéo dài; + Nguy cơ hỏng hóc hoặc bị phá hủy hoàn toàn của đối tượng thử nghiệm; + Nguy cơ gây ra các tác động xấu tới sức khỏe và tính mạng người thực hiện thử nghiệm; + Thiếu các đối tượng thực trong trường hợp đối tượng đó vẫn đang trong quá trình thiết kế. Tất cả các lý do trên đều có thể loại trừ khi ta sử dụng các mô hình mô

Chương Các khái niệm mô hệ điện 1.1 Mô khái niệm Mơ hình mơ đối tượng mà cho phép quan sát nhận tính chất lặp lại hồn tồn phần so với tính chất thiết bị thực tế mơ hình ngun mẫu Do mơ hình mơ hồn tồn triệt để giống với q trình thực tế khơng thể có, tương ứng với mục đích định trình mơ thể tính chất định nguyên mẫu nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu Mục đích việc tạo mơ hình mơ phỏng: Mơ hình mơ phương tiện tư giúp giải thích tương tác biến số, đặc trưng thay đổi theo thời gian, giúp tìm quy luật hoạt động Cấu trúc đối tượng nghiên cứu mối liên hệ nguyên nhân – kết quan trọng gợi mở làm rõ trình xây dựng mơ hình mơ Khi mơ phỏng, đặc tính nguyên mẫu thể tùy theo yêu cầu đặt hệ thống Mơ hình mơ phương tiện cho phép dự báo trước trạng thái đối tượng điều khiển chúng sở thử nghiệm phương án điều khiển khác Mơ hình mơ phương tiện thực trình thiết kế, bao gồm tất giai đoạn từ phác thảo, thiết kế kỹ thuật đến thiết kế chi tiết Điều hoàn toàn trở thành thực nhờ vào phát triển mạnh mẽ gói ứng dụng chuyên ngành Việc thử nghiệm đối tượng thực thường không tiện lợi, đơi nguy hiểm khơng thực tế hàng loạt lý sau: + Quá trình thử nghiệm bị kéo dài; + Nguy hỏng hóc bị phá hủy hoàn toàn đối tượng thử nghiệm; + Nguy gây tác động xấu tới sức khỏe tính mạng người thực thử nghiệm; + Thiếu đối tượng thực trường hợp đối tượng q trình thiết kế Tất lý loại trừ ta sử dụng mơ hình mơ Đối với mơ hình để nghiên cứu mơ phỏng, chia thành nhóm là: mơ hình vật lý, mơ hình tương tự mơ hình tốn học Mơ hình vật lý mơ hình mà hồn tồn thay đối tượng thực thu nhỏ gọi tạo sở lý thuyết đồng dạng, cho phép mơ hình giữ ngun tính chất cần đạt Ví dụ nghiên cứu đặc tính khí động lực học máy bay tương lai, người ta tiến hành thử nghiệm ống khí động lực học với mơ hình máy bay chế tạo kích thước thực nhỏ Quan trọng mơ hình máy bay thể tồn kích thước hình học thực tế Mơ hình tương tự dựa thay ngun mẫu mơ hình vật lý khác tự nhiên mà có trạng thái, tính chất tương tự Ví dụ dao động cộng hưởng hệ thống thực tế nghiên cứu hệ mạch dao động điện tiến hành mô mô hình tương tự phải ý đến điểm cần thiết đối tượng thay phải diễn giải thật Ví dụ 1.1 Hình1.1 hệ gồm vật cứng M, lò xo có độ cứng K giảm chấn có hệ số chống rung B Tác dụng vào hệ có ngoại lực f(t) Phương trình vi phân miêu tả hệ có dạng: M d2x dx + B + Kx = f (t) dt dt (1.1) Thơng thường mơ hình tương tự có mơ tả tốn học giống đối tượng thực Hình 1-1 Mơ hình tương tự thay nghiên cứu dao động Phương trình vi phân mơ tả mạch điện hình vẽ có dạng: L d uc du e(t ) + R c + uc = dt dt C C (1.2) Mơ hình tốn học mơ tả tốn học đối tượng vật lý thực Sự mô tả dựa định luật vật lý mô tả trạng thái, tính chất đối tượng Ví dụ mơ tả tốn học động khơng đồng pha tạo sở định luật Niu-tơn Kickhopff, có dạng sau: diab  U = R I + L + eab ; ab s ab s  dt  dibc  + ebc ; U bc = Rs I bc + Ls dt  di  U ca = Rs I ca + Ls ca + eca ;  dt  (1.3) Các tham số phương trình 1.3 thông số kỹ thuật động không đồng ba pha Mơ tả tốn học giúp người thiết kế dễ dàng nghiên cứu đặc tính đối tượng Các phương pháp giải tích nghiên cứu mơ hình tốn học mà từ vài trăm năm đem lại nhiều thành tựu lý thuyết thực tiễn Tuy nhiên, phương pháp tồn giới hạn định Chúng cho phép nghiên cứu tồn diện hệ mơ tả phương trình vi phân bậc bậc hai Còn hệ mơ tả phương trình bậc cao người ta thường áp dụng phương pháp số Phương pháp số dựa việc sử dụng mơ máy tính Mơ hình máy tính – việc thực hóa theo chương trình mơ hình tốn học thực thơng qua chương trình hỗ trợ khác 1.2 Các phần mềm mô Trong lịch sử giai đoạn đầu mơ máy, chương trình tạo ngơn ngữ máy (1100101….), sau trở thành ngôn ngữ Assemble Giai đoạn xuất ngôn ngữ bậc cao Algol, Basic, Fortran, Pascal v v Cơng nghệ lập trình ứng dụng thời điểm đòi hỏi thời gian lớn cho việc tạo mơ hình mơ Cơng để tạo mơ hình đơn giản, theo cách nhìn nhận mơ hình máy tính đánh giá tương đương với người làm tháng Ngày chuyện thay đổi bản, từ năm 70 kỷ XX, nhiều gói ứng dụng cho việc mơ tạo ra, tự động hóa biểu diễn mơ hình tốn học cho máy tính Đối với lĩnh vực điện tử điều khiển tự động, kể số phần mềm Electronics Workbench (EWB), DesignLab 8.0, OrCAD 9.2-10, Micro-Cap, …vv Để nghiên cứu trình vật lý xảy hệ thống điện hệ thống động học phức tạp cần thiết phải sử dụng mơi trường mơ trực quan có đầy đủ tính Hiện có rât nhiều phần mềm mơ mà mô tả trực quan hệ thống dạng sơ đồ khối theo dạng trạng thái Ngoài thêm vào khả đồ họa xem xét kết mơ tồn kết q trình mơ Phương pháp ứng dụng mô cho phép hồn tồn chuyển sang phân tích q trình diễn hệ thống khơng phải quan tâm đến việc thực bên mô hình mơ Tùy theo ngơn ngữ sử dụng mơ phỏng, người ta chia làm ba nhóm: Nhóm mơ hình mơ theo khối, nhóm mơ hình mơ vật lý nhóm phần mềm định hướng sử dụng otomat hữu hạn Đại diện cho phần mềm mơ thuộc nhóm thứ EASY5 (1976, the Boing company), Simulink (1991, the mathworks Inconporated) Visim (1990, Visual solution Incorporated) Ngôn ngữ sử dụng phần mềm mô dạng ngôn ngữ graphic có thứ bậc dạng sơ đồ khối Các khối mức cao tổ hợp khối thông thường khối đặc biệt người sử dụng tự định nghĩa mức thấp Ưu điểm mơ phần mềm thuộc nhóm đơn giản việc tạo mơ hình dễ dàng sửa đổi chúng mặt cấu trúc tham số Nhóm thứ hai phần mềm 20-sim (1995, controllab product B.V), Dymola (1993, Dynasim A.B), phần mềm sử dụng ngôn ngữ hướng đối tượng để mô hệ thống vật lý Các phần tử liên tục miêu tả phương trình đại số phương trình vi phân Các phần tử rời rạc miêu tả kiện rời rạc mà kiện xuất biến chúng nhận giá trị Đây phương pháp thông thường mơ tả khối điển hình hệ thống vật lý Nhược điểm phương pháp mơ theo nhóm hai phải giải số lượng lớn phương trình đại số Nhóm thứ ba phần mềm mô Model Vision Studium (1999) Phần mềm mô sử dụng bảng trạng thái mô tả trình chuyển trạng thái với mơ tả hệ thống liên tục phương trình đại số phương trình vi phân Trong phần mềm kể đứng đầu việc nghiên cứu hệ động học gói Matlab Simulink hãng Math Work Phiên Matlab đưa cách 20 năm, phát triển hồn thiện gói ứng dụng gắn liền với phát triển thiết bị kỹ thuật tính Tên gọi Matlab xuất phát từ cụm từ Matrix Laboratory, với hướng ưu tiên dành cho xử lý liệu dạng mảng (của ma trận véc-tơ) Chính lý nên mặc cho thay đổi chóng mặt hệ kỹ thuật tính, Matlab ln kịp thời nắm bắt tất giá trị hệ kỹ nghệ Kết đến thời điểm Matlab trở thành thư viện giàu có hàm số Lúc vấn đề đặt làm việc với hàm số có kỹ phát hàm số số hàm có ích việc giải toán đưa Để giảm nhẹ khối lượng công việc cho kỹ sư nhiều chuyên ngành khoa học, kỹ thuật khác nhau, tất hàm số thư viện chương trình chia thành nhiều mục nhỏ Những hàm số mang đặc tính chung nằm thành phần lõi Matlab, hàm số mang tính chun mơn ngành cụ thể đặt gói mở rộng (Toolboxes, Blocksets) Hiện xuất phiên mở rộng bản, phổ biến phiên Matlab2010 Simulink Tuy nhiên cần ý thư viện phiên cũ vần lưu trữ với giao diện Gói Simulink ứng dụng gói Matlab Khi tiến hành mơ phỏng, Simulink thực hóa ngun lý lập trình dạng trực quan, để từ giúp người sử dụng tạo mơ hình hình từ khối thư viện chuẩn thực tính tốn Khác với phương pháp mô cổ điển, người dùng khơng cần phải có kiến thức sâu rộng ngơn ngữ lập trình hay mơn phương pháp tính Thay vào kiên thức sử dụng máy tính tất nhiên kiến thức chuyên ngành lĩnh vực mà người nghiên cứu Simulink công cụ độc lập Matlab, ta không cần phải hiểu Matlab tất ứng dụng làm việc với Simulink Mặt khác, ta lại hồn tồn sử dụng chức năng, công cụ Matlab Simulink LTI-Viewer – gói ứng dụng Control System Toolbox dùng để tạo lập hệ điều khiển Ngồi có khối thư viện bổ sung cho ngành ứng dụng khác nhau, chẳng hạn Sim Power System – dùng thiết kế thiết bị kỹ thuật điện, hay Digital Signal Processing Blockset – tập hợp khối thư viện xử lý tín hiệu số v v Làm việc Simulink, người sử dụng có quyền sửa đổi khối thư viện, tạo thư viện riêng tạo lập khối thư viện Khi mơ người kỹ sư chọn phương pháp giải phương trình vi phân phương pháp thay đổi thời gian (với bước nhảy cố định thay đổi) Đối với trình diễn mơ ta hồn tồn có khả theo dõi trình nhờ vào thiết bị quan sát đặc thù gói thư viện Simulink Kết q trình mơ biểu diễn dạng đồ thị bảng biểu Vì giáo trình này, sử dụng phần mềm mơ MatlabSimulink để nghiên cứu, khảo sát mô hệ thống cho 1.3 Các hệ điện tử khái niệm Những cơng trình khoa học điện tử xuất vào năm 70 kỷ XX Nhật Bản gắn liền với việc xây dựng hệ tự động xác máy tính điều khiển Vào năm 1983 tạp chí khoa học “Cơ điện tử” đời năm 1984 có sách sê-ri “Cơ điện tử” xuất Vào năm 1985 trường đại học tổng hợp California, Hoa Kỳ thành lập trung tâm khoa học điện tử bao gồm khoảng 20 hãng chế tạo công nghệ cao Động lực thúc đẩy áp dụng rộng rãi điện tử từ phát triển kỹ thuật tính, kỹ thuật vi mạch, vi xử lý vi điều khiển dẫn đến khái niệm q trình truyền biến đổi thơng tin hệ điện, từ mở hàng loạt ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác Bản thân từ “Cơ điện tử” xuất phát từ “Cơ học” “Kỹ thuật điện tử” Khi đời, giải thích cho việc sử dụng máy tính để điều khiển hệ học Ngày nay, thuật ngữ “Cơ điện tử” dùng để hướng khoa học kỹ thuật liên kết phương pháp nghiên cứu Hướng khoa học mở tảng cơng nghệ máy tính cơng nghệ thiết kế thiết bị phi truyền thống Các hệ thống điện tử bao gồm biến đổi điện với phận chuyển mạch điện tử, loại cảm biến khác nhau, biến đổi bán dẫn, vi điều khiển máy tính cá nhân Trong thời đại ngày thiết bị điện tử ứng dụng rộng rãi y học (các quan nhân tạo), kỹ thuật máy tính (máy in, máy scan, ổ đĩa ), công nghiệp ô tô (hệ thống phanh, hệ thống điều khiển động v v ), rô-bốt tay công tác, kỹ thuật âm hình ảnh, thiết bị chuyên dụng cơng nghiệp quốc phòng hàng khơng vũ trụ v v Như khái niệm điện tử mang tính khái quát đầy đủ áp dụng cho nhiễu nghành lĩnh vực khác với thành phần Còn khái niệm “Các hệ điện cơ” lĩnh vực nằm khái niệm điện tử, mà thành phần sử dụng máy điện, biến đổi công suất, điều khiển cho mạch lượng Khơng làm tính tổng quát khái niệm hệ điện tử, phạm vi mơn học giáo trình ta đồng khái niệm hệ điện tử hệ điện cơ, điển hình hệ tự động điều khiển truyền động điện chiều, xoay chiều hệ truyền động điện sở số loại động đặc biệt 1.3.1 Thành phần hệ điện tử Sơ đồ chức hệ điện tử trình bày hình 1.2 Nó gồm phân hệ là: phân hệ thông tin, phân hệ điện phân hệ điện Phân hệ điện chứa đối tượng điều khiển (ĐTĐK) biến đổi điện (BBĐĐC) Phân hệ điện gồm biến đổi bán dẫn công suất (BBĐBDCS) nguồn thứ cấp (NTC) Phân hệ thông tin chứa hệ thống điều khiển chuẩn đoán (HTĐKCĐ) khối thiết bị cảm biến (TBCB) Khi tìm hiểu hệ điện tử cần phải nghiên cứu đặc tính động, đặc tính tĩnh, đặc tính lượng, đặc tính phổ hàng loạt đặc tính khác Một số điểm hệ điện tử sau: Đối tượng điều khiển không liên hệ trực tiếp với người Thông thường, chúng thay cho người điều kiện mà người thực thực có nguy tổn hại sức khỏe tính mạng Các đối tượng điều khiển (ĐTĐK) thơng thường có tham số thay đổi nên khơng thể tạo mơ hình tốn học đối tượng điều khiển tảng định luật vật lý mà hoạt động Trong trường hợp để mơ tả tốn học, người ta sử dụng phương pháp khác cho hệ phi tuyến Các biến đổi điện thường khâu hệ thống đối tượng điều khiển Trong trường hợp cấu trúc biến đổi điện phi truyền thống Quá trình điều khiển dòng lượng từ nguồn thứ cấp đến biến đổi điện thực biến đổi bán dẫn công suất Kết hợp nguồn điện, biến đổi bán dẫn biến đổi điện ta có phân hệ lượng điện tử Trong phân hệ xuất tính chất khơng có khối riêng rẽ Phân hệ lượng điện tử hệ xung phi tuyến với biến đổi rời rạc tham số Chính việc phân tích tổng hợp hệ điều khiển đòi hỏi ứng dụng phương pháp dựa cơng nghệ máy tính đại Hình 1-2 Sơ đồ khối chức hệ điện Việc tính tốn thiết kế hệ điện tử bao gồm công đoạn sau: + Xây dựng mơ hình chung với phần liên tục, xung số hóa; + Nghiên cứu đặc tính động phần liên tục xung; + Tổng hợp điều chỉnh; + Nghiên cứu đặc tính động hệ thống; + Nghiên cứu đặc tính tĩnh hệ thống 1.3.2 Các vấn đề xây dựng mơ hình điện tử Sử dụng máy tính cho phép phân phối lại thời gian dành cho nghiên cứu lý thuyết thực hành theo cách Lúc thời gian dành cho công việc thực nghiệm phòng thí nghiệm ảo Các chương trình đào tạo có ứng dụng cơng nghệ máy tính đại giáo trình tạo hồn tồn Matlab – Simulink Các gói ứng dụng chia thành số cấp sau: Cấp sử dụng môi trường làm việc Matlab phần mở rộng (Toolboxes); Cấp sử dụng khối cấu trúc gói Simulink phần mở rộng (Blocksets); Cấp sử dụng khối ảo gói Sim Power System với giao diện đồ họa người dùng; Cấp sử dụng bệ thí nghiệm mơ tạo nhờ sử dụng giao diện đồ họa người dùng (GUI) Dưới từ ví dụ cụ thể, ta xem xét việc sử dụng cấp việc tiến hành thực nghiệm ảo môi trường Matlab, Simulink Các mơ hình cấu trúc xây dựng sở mơ tả tốn học hệ động học Sự mơ tả phương trình vi phân, hàm truyền, điểm không điểm cực hàm truyền phương trình khơng gian trạng thái Trong gói Simulink có đầy đủ khối cho phép thực mơ hình cấu trúc Kết mơ mơ hình cấu trúc đưa gói mở rộng Control System mà có cơng cụ LTI-Viewer Mơ tả tốn học khối Robot dạng toán tử sau: s 2θ = KТ C K u R K i − sθ − θ ; s i = − i − Е sθ J J J L L L (1.4) Trên hình 1.3 mơ hình cấu trúc khối Robot xây dựng theo phương trình 1.5 đặc trung động Hình 1-3 Mơ hình cấu trúc khâu robot đặc tính động học Các mơ hình chức gồm phần tử phi tuyến dựa logic hoạt động thiết bị Chúng sử dụng để mô phần tử điện tử cơng suất nghiên cứu tính động học hệ thống biểu diễn mơ hình cấu trúc Trong trường hợp không cần thiết phải thay biến đổi công suất khâu trễ khâu khơng tuần hồn tương đương Trên hình 1.4 ví dụ mơ hình chức biến đổi độ rộng xung có đảo chiều với thuật tốn điều khiển với trình điện từ mạch Hình 1- Mơ hình chức biến đổi độ rộng xung trình điện từ Mơ hình ảo – khối tạo giả thiết bị điện tử công suất điện xếp thư viện gói mở rộng Sim Power System ứng dụng mơ hình ảo cho phép nghiên cứu khơng đặc tính động hệ điện tử mà đặc tính tĩnh như: 10 + Đặc tính điều chỉnh; + Đặc tính tải; + Đặc tính điện từ; + Đặc tính lượng Kết mơ mơ hình chức mơ hình ảo trình bày cách ghi lại kết mơ vào mơi trường làm việc Matlab sau: Hình 1-5 Mơ hình ảo động van với mơ hình cấu trúc-chức điều khiển Trên hình 1.5 ví dụ mơ hình cấu trúc-chức năng- ảo động van hình 1.6 đặc tính điện 11 Hình 1-6 Các đặc tính động van Bệ thí nghiệm mơ thiết kế gồm số lượng đáng kể file liên kết với tạo dựng môi trường Matlab – Simulink với giao diện đồ họa người dùng (GUI – Grafic User Intefecs) Việc xây dựng bệ thí nghiệm mơ đòi hỏi nhiều thời gian lại giúp sinh viên dễ dàng việc thực thí nghiệm Những bệ lặp lại tồn thiết bị vật lý áp dụng cho khóa học thiết kế Trên hình 1.7 ví dụ bệ mơ khảo sát hệ thống điều khiển tuyến tính thực nhiệm vụ: + Xây dựng quỹ đạo nghiệm số hệ thống xác định giá trị K để q trình đầu hệ thống có độ q chỉnh cực đại δ% < 20%và tqđ < giây? (tqđ thời gian độ) + Xác định giá trị tham số K để hệ thống có độ dự trữ pha ≥ 300? Sau xây dựng giao diện đồ họa cho phép người sử dụng thực chức sau: - Vẽ “Qũi Đạo Nghiệm Số” hệ thống - Nhập vào giá trị thời gian độ độ điều chỉnh cực đại yêu cầu tính khoảng giá trị tham số K theo yêu cầu - Nhập vào giá trị độ dự trữ ổn định pha yêu cầu tính khoảng giá trị tham số K theo yêu cầu 12 - Đặc biệt chương trình cho phép kiểm tra lại tính đắn kết nhận nhập vào giá trị K thuộc khoảng xác định Các thông số hệ thống tương ứng với giá trị K vừa nhập vào hiển thị bảng thông báo chung Đồng thời chương trình cho phép người sử dụng vẽ đồ thị Bode, đặc tính độ, sơ đồ cấu trúc dạng mô Simulink hệ thống tương ứng với giá trị K cụ thể, chọn Hình 1-7 Bệ thí nghiệm mơ 13 ... 1.3 Các hệ điện tử khái niệm Những công trình khoa học điện tử xuất vào năm 70 kỷ XX Nhật Bản gắn liền với việc xây dựng hệ tự động xác máy tính điều khiển Vào năm 1983 tạp chí khoa học Cơ điện. .. niệm hệ điện tử hệ điện cơ, điển hình hệ tự động điều khiển truyền động điện chiều, xoay chiều hệ truyền động điện sở số loại động đặc biệt 1.3.1 Thành phần hệ điện tử Sơ đồ chức hệ điện tử trình... nằm khái niệm điện tử, mà thành phần sử dụng máy điện, biến đổi công suất, điều khiển cho mạch lượng Khơng làm tính tổng quát khái niệm hệ điện tử, phạm vi mơn học giáo trình ta đồng khái niệm hệ