Xây dựng mô hình gián đoạn của động cơ một chiều kích từ độc lập

MỤC LỤC Lời nói đầu -2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÁN ĐOẠN VÀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1 Khái quát phép biến đổi Z 1.1.1 Định nghĩa phép biến đổi Z -3 1.1.2 Các tính chất phép biến đổi Z 1.2 Mơ hình gián đoạn miền ảnh Z -4 1.2.1 Các khâu hệ thống -4 1.2.1 Mơ hình khâu gián đoạn miền Z 1.3 Khái quát MATLAB&Simulink 1.3.1 Khái quát MATLAB 1.3.2 Khái quát Simulink 11 1.4 Chuyển đổi liên tục sang gián đoạn phương pháp gián đoạn hóa 14 1.5 Tổng quan động chiều kích từ độc lập -15 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH -22 2.1 Xác định hàm truyền đạt -22 2.2 Sử dụng lệnh MATLAB để tìm hàm truyền đạt miền ảnh Z theo phương pháp ZOH, FOH, TUSTIN -22 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG -26 3.1 Các thông số kỹ thuật động -26 3.2 Mơ mơ hình thu -26 3.3 So sánh kết mơ hình thu 30 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 LỜI NÓI ĐẦU Ngày việc thực tự động hóa cơng nghiệp dân dụng nhu cầu thiết yếu để phát triển sản xuất nâng cao chất lượng sản phẩm, hệ truyền động điện yêu cầu phải điều khiển quan sát cách vận hành loại động có động chiều kích từ độc lập Việc thực điều khiển, quan sát chuyển động đặc tính bên bên ngồi(như dịng điện, tốc độ, momen,…) khơng thực cách đo thơng số tính lập đặc tính, mà hỗ trợ máy tính ta mơ hệ thống, cơng cụ hỗ trợ đắc lực phần mềm MATLAB Simulink Theo yêu cầu tập lớn: Tổng Hợp Hệ Điện Cơ, em thực đề tài Xây dựng mô hình gián đoạn động chiều kích từ độc lập Với giúp đỡ thầy giáo bạn giúp em hoàn thành tập lớn Em xin chân thành cảm ơn có cịn thiếu sót mong ý kiến đóng góp thầy giáo CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÁN ĐOẠN VÀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1 Khái quát phép biến đổi Z 1.1.1 Định nghĩa phép biến đổi Z Trong hệ xung số(hệ rời rạc), phép biến đổi z giữ vai trị quan trọng Nếu có hàm liên tục f(t), ta có hàm rời rạc f(it) với chu kỳ lấy mẫu T Khi đó: � �f (t ). (t  it ) f(it)= i 0 Với  (t  it ) hàm xung Dirac Biến đổi Laplace hàm xung f(it) ký hiệu F * ( p) � F * ( p) = f (it ).e �  st dt � � = �f (t ). (t  it ).e � f (t ). (t  it ).e ��  st dt i 0 � = dt i 0 � � =  st �f (it ).e  ipt i 0 Đặt Z=ept � T i Ta viết F*(p)= F(Z) = F*( ln z )= �f (it ).Z i 0 Hàm F(Z) gọi phép biến đổi Z hàm F(it) hay F(t) 1.1.2 Các tính chất phép biến đổi Z 1) Tính chất dịch hàm gốc: f (i  1) Z{f(i)}=F(z) Z{F(i+1)}=Z.F(z)-Z.f(0) m 1 Hay: Z{F(i+m)}=Zm.F(z)- � f(i).Zm-j j 0 2)Tính chất tuyến tính: Z{a.f1(i)+ b.f2(i)}= a.F1(z)+ a.F2(z) 3)Giá trị đầu hàm gốc rời rạc: F (i  0)  f (0)  lim F ( z )  lim f (i ) z �� i �0 4)Giá trị cuối hàm gốc rời rạc: lim F (kT )  lim( z  1) F ( z ) k �� z �1 5)Biến đổi Z sai phân: ∆f(i) sai phân tiến: ∆f(i)= ∆f(i+1) - ∆f(i) Z{∆f(i)}=(Z-1).F(z) - Z.f(0) Z{∆2f(i)}= (Z-1)2.F(z) - Z(Z-1).f(0) –Z.∆f(0) 1.2 Mơ hình gián đoạn miền ảnh Z 1.2.1 Các khâu hệ thống Hệ thống gồm loại khâu khâu có chất gián đoạn khâu có chất liên tục Hình 1.1: Khâu có chất gián đoạn: tín hiệu vào/ra/trạng thái gián đoạn thời gian mức Khâu mô tả thiết bị điều khiển số Hình 1.2: Khâu có chất liên tục: Mơ tả đối tượng điều khiển Khi gián đoạn hóa đưa đến mơ hình Việc gián đoạn hóa xuất phát từ mơ hình trạng thái liên tục đối tượng 1.2.2 Mơ hình khâu gián đoạn miền Z Hình 1.3: Quy luật tính tốn xác định đặc tính truyền đạt khâu: a, Mơ tả phương trình sai phân: *) Sai phân bậc nhất: Sai phân tiến: ∆uk= uk+1 - uk Sai phân lùi: ∆uk= uk - uk-1 *) Sai phân bậc hai: ∆2uk= ∆uk+1 - ∆uk = uk+2 - 2uk+1 + uk *) Sai phân bậc n: b, Mô tả hàm truyền đạt miền Z c, Mô tả mơ hình trạng thái gián đoạn Hình 1.4: Mơ hình thu từ phương trình sai phân hay hàm truyền đạt( miền Z) mơ tả thuật tốn mà khâu thực Có thể chuyển đổi sang dạng chuẩn tắc thông dụng( chuẩn ĐK, chuẩn QS) để mô tả tính tốn 1.3 Khái qt MATLAB&Simulink 1.3.1 Khái quát MATLAB MATLAB chương trình phần mềm lớn lĩnh vực tính tốn số MATLAB chữ viết tắt từ MATrix LABoratory, thể định hướng chương trình bao gồm số hàm tốn chức nhập / xuất khả lập trình với cú pháp thơng dụng mà nhờ ta dựng nên Scripts MATLAB có nhiều phiên như: 3.5, 4.0, 4.2, 5.0, 5.2,…6.0, 6.5 Hiện có phiên 7.10 *) Ngơn ngữ lập trình Ngơn ngữ lập trình dùng hệ tính tốn số có tên gọi MATLAB Nó thuộc kiểu lập trình thủ tục (với số đặc điểm lập trình hướng đối tượng bổ sung phiên gần *) Các kiểu liệu MATLAB có đầy đủ kiểu liệu đơn giản như: số nguyên, số thực, kí tự, logic (boolean) Chuỗi kí tự đặt dấu nháy đơn nháy kép, chẳng hạn "Viet Nam" Kiểu dãy (sequence) có dạng dau:buoc:cuoi bao gồm véc-tơ gồm phần tử số dau tăng dần theo buoc (không vượt quá) số cuoi Kết cho véc-tơ hàng: 1.2:0.2:1.7 %chú thích: tương đương với [1.2 1.4 1.6] 1.2:0.2:1.8 %chú thích: tương đương với [1.2 1.4 1.6 1.8] Kiểu ma trận đóng vai trị trung tâm MATLAB Ví dụ ma trận hai hàng ba cột sau (hết hàng cần dấu chấm phẩy để phân tách, khơng thiết xuống dịng): [ -3 5.2 ; 2.1 -8 7.6 ] MATLAB cịn có số kiểu liệu khác cao cấp hơn: kiểu cell, kiểu struct (bản ghi) *) Các phép tính với ma trận Các phép cộng trừ hai ma trận kích thước thực bình thường Đặc biệt với phép nhân, MATLAB phân biệt hai toán tử: * dành cho phép nhân ma trận * dành cho nhân cặp phần tử tương ứng hai ma trận >> a = [2 3; 4] >> a * a % bình phương ma trận A 10 18 12 22 >> a * a % bình phương TỪNG PHẦN TỬ A 16 Với phép tính lũy thừa tương tự Chẳng hạn, với ví dụ ta viết a^2 a.^2 *) Cú pháp Trước MATLAB không phân biệt chữ in, chữ thường (giống Fortran) Các phiên gần lại có phân biệt (theo ngôn ngữ C) Các từ khóa viết chữ thường  Lệnh gán có dạng giống nhiều ngơn ngữ lập trình khác: tên_biến = giá_trị_biểu thức Thông thường máy in kết biến sau gán, ta không kết thúc lệnh gán dấu ; Ví dụ t = * % thị t = t = t + 1; % t có giá trị khơng hiển thị lên hình  Khai báo hàm số (ví dụ hàm bình phương tên tham số vào x, tên tham số y: function y = binhPhuong(x) binhPhuong = x * x; end  Cấu trúc rẽ nhánh, lặp: for i = 1:3 % ý vòng lặp theo dạng dãy disp(1/i) end i=0 while i < i = i + 1; % khơng cho hiển thị hình disp(i) % hiển thị giá trị i end *) Cú pháp đặc biệt (syntactic sugar) 10 Để tăng tốc độ lập trình, thao tác từ dấu nhắc lệnh, MATLAB cho phép nhiều kiểu cú pháp viết tắt Chẳng hạn để xem hướng dẫn lệnh plot hai câu lệnh sau tương đương: doc('plot') doc plot % thích: cách viết gọn, đồng thời bỏ dấu ngoặc trịn dấu nháy Một ví dụ số véc-tơ hàng khơng cần có dấu phẩy ngăn cách v1 = [2, 3, 4] v2 = [5 7] % hợp lệ! Và cách gọi file lệnh từ dấu nhắc dạng rút gọn đặc biệt Chẳng hạn ta cần chạy file tinhtong.m thư mục hành: >> tinhtong *) Tính vẽ đồ thị Vẽ đồ thị tính trau chuốt MATLAB; với nhiều kiểu đồ thị khác biểu đồ dạng đường, biểu đồ chấm điểm, lớp màu (patch) hai chiều, đường đồng mức đường cong, mặt cong ba chiều Ngoài MATLAB cung cấp giao diện để người dùng trực tiếp biên tập hình vẽ, điền vào ghi theo ý muốn *) Vẽ đồ thị dạng đường Giả sử có dãy số liệu V đo theo thời gian t Trong MATLAB, V t có dạng vec tơ có độ dài Khi lệnh vẽ đồ thị với trục hoành t trục tung V có dạng: plot(t, V) xlabel('t (s)') % viết tiêu đề trục 11 ylabel('V (m/s)') *) Vẽ đồ thị dạng lớp màu Một cách hiệu để biểu thị trường vật lí khơng gian hai chiều dùng lớp màu Chẳng hạn T ma trận chiều lưu giữ giá trị nhiệt độ kim loại hình chữ nhật, việc hiển thị phân phối nhiệt độ lớp màu thực dễ dàng: pcolor(T) *) Vẽ trường vectơ Cũng đồ thị lớp màu, việc hiển thị trường vec tơ cần thiết ngành khoa học - vật lí Để vẽ trường véc-tơ hai chiều ma trận u v, dùng lệnh: quiver(u,v) 1.3.2 Khái quát Simulink Simulink phần mềm mở rộng MATLAB (1 Toolbox MATLAB) dùng để mơ hình hố, mơ phân tích hệ thống động Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin ứng dụng mô khác Simulink thuật ngữ mô dễ nhớ ghép hai từ Simulation Link, Simulink cho phép mơ tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, mơ hình miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hệ gồm liên tục gián đoạn a, Khởi động Simulink: khởi động vào MATLAB, sau có hai cách vào cửa sổ Simulink Cách 1: vào trực tiếp Simulink cách nhấp chuột vào biểu tượng menu MATLAB 12 Cách 2: gõ lệnh Simulink/ Enter b, Đặc điểm Simulink Simulink phân biệt (không phụ thuộc vào thư viện con) hai loại khối chức năng: khối ảo ( virtual) khối thực (notvirtual) Các khối thực đóng vai trị định chạy mơ mơ hình Simulink Việc thêm hay bớt khối thực thay đổi đặc tính động học hệ thống mơ hình Simulink mơ tả Có thể nêu nhiều ví dụ khối thực như: khối tích phân Integrator hay khối hàm truyền đạt Tranfer Fcn thư viện Continuous, khối Sum hay khối Product thư viện Math Ngựơc lại, khối ảo khơng có khả thay đổi đặc tính hệ thống, chúng có nhiệm vụ thay đổi diện mạo đồ hoạ mơ hình Simulink Đó la khối Mux, Demucx hay Enable thuộc thư viện Signal System Một số chức mang đặc tính ảo hay thực tuỳ thuộc theo vị trí hay cách thức sử dụng chúng mơ hình Simulink, mơ hình xếp vào loại ảo có điều kiện c, Các thao tác sử dụng Simulink Simulink gần sử dụng nhờ chuột Bằng cách nháy kép phím chuột trái vào số thư viện thuộc cửa sổ thư viện Library ta thu cửa sổ có chứa khối thuộc thư viện Hoặc thu kết tương tự cách nháy kép chuột trái nhánh thư viện con, nằm phần bên phải cửa sổ truy cập Library Browser Từ khối chứa thư viện ta xây dựng lưu đồ tín hiệu mong muốn Để tạo định dạng (Format) soạn thảo ta có khả sau đây: • Copy (sao chép ): cách gắp thả “ Drag &Drop” nhờ phím chuột phải ta chép khối từ thư viện ( từ thư viện khác) • Move (di chuyển): ta dễ dàng di chuyển khối phạm vi cửa sổ khối nhờ phím chuột trái • Đánh dấu : cách nháy phím chuột trái vào khối ta co thể đánh dấu, lựa chọn khối, kéo chuột đánh dấu nhiều khối lúc 13 • Delete (xố) : xố khối đường nối bị đánh dấu cách gọi lệnh menu Edit / Clear Bằng menu Eđit / Undu tổ hợp phím Ctrl + Z ta cứu vãn lại động tác xố vừa thực • Hệ thống con: cách đánh dấu nhiều khối có quan hệ chức năng, sau gom chúng lại thơng qua menu Edit / Creat Subsystem, ta tạo hệ thống • Nối hai khối : dùng phím chuột trái nháy vào đầu khối, sau di mũi tên chuột tới đầu vào cần nối Sau thả ngón tay khỏi phím chuột, đường nối tự động tao Có thể rẽ nhánh tín hiệu cách nháy phím chuột phải vào đường nối có có sẵn kéo đường nối xuất tới đầu vào cần nối • Di chuyển đường nối: để lưu đồ tín hiệu thoáng dễ theo dõi, nhiều ta phải di chuyển, bố trí lại vị trí Sau nhả ngón tay khỏi phím chuột, đường nối tự dộng tạo rẽ nhánh tín hiệu cách nháy phím chuột phải vào đường nối có sẵn kéo đường nối xuất tới đầu vào cần nối • Di chuyển đường nối: để lưu đồ tín hiệu thống dễ theo dõi, nhiều ta phải di chuyển, bố trí lại đường nối Khi nháy chọn chuột trái ta di chuyển tuỳ ý điểm góc di chuyển song song đoạn thẳng đường nối • Chỉ thị kích cỡ dạng liệu tín hiệu: lệnh chọn qua menu Format/ Signal dimensions hiển thị kích cỡ tín hiệu tín hiệu qua đường nối Lệnh menu Format / Port data types thị thêm loại liệu tín hiệu qua đường nối • Định dạng (Format) cho khối: sau nháy phím chuột phải vào khối, cửa sổ định dạng khối mở Tại mục Format ta lựa chọn kiểu kích cỡ chữ, vị trí tên khối, lật xoay khối Hai mục Foreground Color Background Color cho phép ta đặt chế độ màu bao quanh mầu khối 14 • Định dạng cho đường nối: sau nháy phím chuột phải vào đường nối, cửa sổ định dạng đường(của đường dẫn tới đường nối đó) mở Tại ta có lệnh cho phép cắt bỏ, copy delete đường nối • Hộp đối thoại (Dialog Box) đặc tính khối (Block Properties): theo menu cửa sổ mô Edit/Block Properties, chọn mục Block Properties cửa sổ định dạng khối, ta thu hộp đối thoại cho phép đặt vài tham số tổng quát đặc tính khối • Hộp đối thoại đặc tính tín hiệu (Signal properties): tới hộp thoại Signal properties đường nối cách nháy chuột đánh dấu cửa sổ mô phỏng, sau theo menu Edit/ Signal properties, chọn mục Signal properties từ cửa sổ định dạng đường Trong hộp đối thoại ta đặt tên cho đường nối nhập đoạn văn mô tả Tuy nhiên, để đặt tên cho đường nối cịn có cách khác đơn giản hơn: nháy kép phím chuột trái vào đường nối ta tự động tới chế độ nhập văn 1.4 Chuyển đổi liên tục sang gián đoạn phương pháp gián đoạn hóa Trong nhiều trường hợp phải tìm hàm truyền gián đoạn miền Z từ hàm truyền liên tục miền S, người ta cần phải chuyển đổi hàm từ liên tục sang gián đoạn hay gọi gián đoạn hóa hàm liên tục *) Các phương pháp gián đoạn hóa: Có vài phương pháp gián đoạn hóa, phổ biến phương pháp sau: - ZOH(Zero-order Hold): phương pháp gián đoạn hóa sử dụng khâu lưu giữ bậc không(ZOH) - FOH(First-order Hold): phương pháp gián đoạn hóa sử dụng khâu lưu giữ bậc một(FOH) Tải FULL (File DOC 33 trang): bit.ly/2Ywib4t Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ 15 - Tustin( hay biến đổi song tuyến tính): phương pháp biến đổi gần bậc hàm Logarith tự nhiên, giúp biến đổi từ môi trường S sang môi trường Z 1.5 Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập 1.5.1 Giản đồ kết cấu Giản đồ kết cấu chung động điện chiều biểu diễn sau: Hình 1.5: Sơ đồ thay động điện chiều Trong đó: + CKĐ: dây quấn kích từ độc lập + CKN: dây quấn kích từ nối tiếp + CB: dây quấn bù + CF: dây quấn cực từ phụ + UK : điện áp kích thích + U: điện áp phần ứng + N, p’, Lư, Rư : số dẫn td, số đôi cực, số đôi mạch nhánh, hệ số tự cảm vμ điện trở phần ứng + RK, LK : điện trở điện cảm cuộn kích từ độc lập + iK : dịng điện phần kích từ + I : dịng điện phần ứng + ω , M, MC tốc độ góc, mơmen điện từ mômen cản động Tải FULL (File DOC 33 trang): bit.ly/2Ywib4t Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ 16 1.5.2 Chế độ xác lập động chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp U K đó, dây quấn kích từ có dịng điện ik mạch từ máy có từ thơng Φ Tiếp lại đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có dịng điện I chạy qua Tương tác dòng điện phần ứng từ thơngmạch kích từ tạo mơmen điện từ có giá trị: M p '.N I  k I 2 a (1-1) Trong : p’ _ số đôi cực động cơ; N _ số dẫn phần ứng cực từ ; a _ số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng ; k = p’N/2  a hệ số kết cấu máy Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục Các dây quấn phần ứng quét qua từ thông dây quấn cảm ứng sức từ động : E p '.N   k  2 a (1-2) Trong  _ tốc độ góc rotor Trong chế độ xác lập ta có phương trình cân điện áp phần ứng: U = I.Rư + E Trong : E = k _ sức điện động Rư : điện trở mạch phần ứng động ==>   U  IR u k (1-3) Với phương trình (1-1) (1-2) vẽ họ đặc tính M  động điện chiều từ thông không đổi hình 1.5.3 Chế độ độ động chiều Nếu thông số động khơng đổi viết phương trình mơ tả sơ đồ thay sau : 17 ... đổi từ môi trường S sang môi trường Z 1.5 Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập 1.5.1 Giản đồ kết cấu Giản đồ kết cấu chung động điện chiều biểu diễn sau: Hình 1.5: Sơ đồ thay động điện chiều. .. phần mềm MATLAB Simulink Theo yêu cầu tập lớn: Tổng Hợp Hệ Điện Cơ, em thực đề tài Xây dựng mơ hình gián đoạn động chiều kích từ độc lập Với giúp đỡ thầy giáo bạn giúp em hoàn thành tập lớn Em xin... có cịn thiếu sót mong ý kiến đóng góp thầy giáo CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH GIÁN ĐOẠN VÀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1 Khái quát phép biến đổi Z 1.1.1 Định nghĩa phép biến đổi Z Trong