Mô hình hóa và khảo sát chất lượng, và thiết kế bộđiều khiển của hệ thống. Khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo điện trởđộng cơ R. Thiết lập bộ điều khiển PI khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số PI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NƠI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN CƠ SỞ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ DC GVHD: Bùi Thanh Lâm Sinh viên: Trần Đức Anh Lớp: Cơ điện tử Mã sinh viên: 2019603199 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ Điện Tử Khóa: 14 Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm): Nhóm Họ tên thành viên nhóm: Trần Đức Anh II Nội dung học tập Tên chủ đề : Mơ hình hóa khảo sát chất lượng, thiết kế điều khiển hệ thống moment of inertia of the rotor (J) = 0.01 kg.m^2/s^2 * damping ratio of the mechanical system (b) = 0.1 Nms * electromotive force constant (K=Ke=Kt) = 0.01 Nm/Amp * electric resistance (R) = ohm * electric inductance (L) = 0.5 H * input (V): Source Voltage * output (theta): position of shaft * The rotor and shaft are assumed to be rigid Hoạt động sinh viên 2.1- Nội dung 1: Mơ hình hóa hệ thống, tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.1 2.2- Nội dung 2: Khảo sát phụ thuộc đáp ứng hệ thống theo điện trở động R thay đổi từ đén 100 ohm - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.1 2.3- Nội dung 3: Thiết lập điều khiển PI khảo sát phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo tham số PI - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.2 Sản phẩm nghiên cứu : Bài thu hoạch chương trình mơ Matlab III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án theo thời gian quy định (từ ngày…2021 đến ngày…2021) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước giảng viên sinh viên khác IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Sách Cơ sở hệ thống tự động, tài liệu Matlab Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA/TRUNG TÂM TS Nguyễn Anh Tú Bùi Thanh Lâm I Nội dung 1: Phân tích mơ hình hệ thống động điện chiều Động điện chiều có tham số sau: Hình 3.14: Mơ hình động điện chiều Các thông số: Mô Men qn tính khối rơto:J = 0.01 kg.m2/s2 Hệ số giảm chấn hệ thống cơ:b=0,1 Nms Hằng số điện từ:K = Ke = Kt= 0,01Nm/Amp Điện trở:R=1 ohm Điện cảm:L=0,5 H Tín hiệu vào điện áp:V Tin hiệu góc quay:θ Mơ hình hóa hệ thống hàm truyền phương trình khơng gian trạng thái Áp dụng định luật II Niuton cho phần ta có phương trình: J.𝜃̈ + b.𝜃̇ = Ki (1) Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có: 𝑑𝑖 L + Ri = V - K.𝜃̇ (2) 𝑑𝑡 Biến đổi Laplace: s.(J.s +b) 𝜃(𝑠) = K.I(s) (L.s+R).I(s) = V - Ks 𝜃(𝑠) Từ phương trình (3) ta có: I(s) = s.(J.s +b).𝜃(𝑠) 𝐾 (3) (4) (5) Thế (5) vào (4) biến đổi ta được: 𝜃 𝑉 = 𝐾 𝑠.((𝐽.𝑠+𝑏).(𝐿.𝑠+𝑅)+𝐾 ) (6) Vì hàm bậc suy giảm nhanh dạng hàm bậc nên ta coi hàm truyền hệ 𝐻(𝑠) = 𝜃 𝑉 𝐾 = (𝐽.𝑠+𝑏).(𝐿.𝑠+𝑅)+𝐾2 (7) Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái: Ta chọn tốc độ quay dòng điện biến trạng thái Điện áp đầu vào, đầu tốc độ quay Từ phương trình (1) (2) ta có: 𝑏 𝐾 𝜃̈= - 𝜃̇+ I (8) 𝐽 𝑑𝑖 𝑑𝑡 𝐾 𝐽 𝑅 𝐿 𝐿 𝑉 = - 𝜃̇- i + (9) 𝐿 Vậy ta có phương trình khơng gian trạng thái − 𝜃̇] = [ [ 𝑑𝑡 𝑖 − 𝑑 𝑏 𝐽 𝐾 𝐿 ̇ 𝜃̇= [1 2] [𝜃] 𝑖 𝐾 𝜃̇] + [01 ]v (10) ] [ 𝑅 𝑖 − 𝐿 𝐽 𝐿 (11) Với tín hiệu vào Volt xác định đáp ứng hệ thống (tính ổn định, đáp ứng đầu ra, thời gian lên, thời gian độ, độ vọt lố, sai số xác lập) ? Sử dụng matlab: Tạo m-file gõ dòng lệnh J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; tuso=K; mauso=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; hamtruyen=tf(tuso,mauso) Lưu file với tên Ham_truyen_DC Trong Command Window matlab ta gọi m-file vừa tạo Để vẽ đồ thị ta dùng lệnh step(hamtruyen,0:0.1:3); Để xác định thông số ta kích chuột phải vào biểu đồ vào chọn characteristics: Pear Response: độ vọt lố Settling time: thời gian xác lập Rise time: thời gian lên Steady State: sai số xác lập Dựng vào đồ thị ta lấy thông số: Độ vọt lố:0% Thời gian xác lập: 2,07 s Thời gian lên: 1,14 s Sai số xác lập lớn Kết luận : từ mơ hình ta bổ xung, thiết kế điều khiển để đáp ứng hệ thống thỏa mãn yêu cầu tốn cơng nghệ II Nội dung : Khảo sát phụ thuộc đáp ứng hệ thống theo điện trở động R thay đổi từ đến 100 ohm Code Matlab: J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; tuso=K; mauso=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; hamtruyen=tf(tuso,mauso) hold on; for R=10:20:100 mauso=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; hamtruyen=tf(tuso,mauso) step(hamtruyen) end legend('R=10','R=30','R=50','R=70','R=90'); Nhận xét: Khi cho R tăng từ đến 100, giá trị xác lập giảm; thời gian xác lập giảm; thời gian lên giảm Kết luận: R tăng làm giảm tốc độ động • Áp dụng định luật Newton định luật Kirchoff , mơ hình hóa hệ thống ta được: 𝐽 𝐿 𝑑2𝜃 𝑑𝑡 𝑑𝑖 𝑑𝑡 =𝑇−𝑏 𝑑𝜃 𝑑𝑡 => 𝑑2𝜃 𝑑𝑡 = −𝑅𝑖 + 𝑉 − 𝑒 => 𝑑𝜃 = (𝐾𝑡 𝑖 − 𝑏 ) 𝐽 𝑑𝑡 𝑑𝑖 𝑑𝜃 = (−𝑅𝑖 + 𝑉 − 𝐾𝑒 ) 𝑑𝑡 𝐿 𝑑𝑡 𝐾 Để tiện việc khảo sát, từ hàm truyền hở 𝐻(𝑠) = (𝐽.𝑠+𝑏)(𝐿.𝑠+𝑅)+𝐾2 , ta tiến hành mô lại hệ thống Matlab Simulink sau: Khi R=10 Ohm Độ vọt lố POT=0% 10 Thời gian xác lập:0.471 Thời gian lên :0.273s Sau thay đổi R=30 Ohm Độ vọt lố POT=0% Thời gian xác lập: 0.414s Thời gian lên: 0.243s Sau thay đổi R=50 Ohm 11 Độ vọt lố POT=0% Thời gian xác lập:0.403 Thời gian lên:0.236s Sau thay đổi R=70 Ohm 12 Độ vọt lố POT=0% Thời gian xác lập:0.399s Thời gian lên:0.233s Sau thay đổi R=90 Ohm 13 Độ vọt lố POT=0% Thời gian xác lập:0.398s Thời gian lên:0.231s Nhận xét: Khi điện trở R cao độ vọt lố gần khơng đổi, thời gian xác lập thời gian lên nhỏ có xu hướng giảm dần 14 III Nội dung 3: Thiết lập điều khiển PI khảo sát phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo tham số PI Mục đích: Thiết lâp khảo sát độ ảnh hưởng thông số Kp, Ki ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Hàm truyền khâu PI viết dạng: Gc(s) = Kp + 𝐾𝑖 𝑠 = 𝐾𝑝.𝑠+ 𝐾𝑖 𝑠 Mơ hình hóa hệ thống biểu diễn Matlap thêm điều khiển PI sau: J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; tuso=K; mauso=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; hold on; for Ki =0:2:10 hamtruyen=tf(tuso,mauso) Kp=10; PI=tf([Kp Ki],[1 0]); 15 Gk=feedback(PI*hamtruyen,1); step(Gk); end legend('Ki=0','Ki=2','Ki=4','Ki=6','Ki=8','Ki=10') J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; tuso=K; mauso=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; 16 hold on; for Kp =0:2:10 hamtruyen=tf(tuso,mauso) Ki=10; PI=tf([Kp Ki],[1 0]); Gk=feedback(PI*hamtruyen,1); step(Gk); end legend('Kp=0','Kp=2','Kp=4','Kp=6','Kp=8','Kp=10') 17 Kp 10 Txl(s) 4.39 2.42 3.14 4.02 4.72 5.31 Tr(s) 1.4 1.63 1.86 2.1 2.33 2.52 * Nhận xét: kp=0 Txl = 4.39 cịn kp tăng từ đến 10 Txl tăng dần từ 2.42 đến 5.31 Khi kp tăng từ đến 10 Tr tăng dần từ 1.4 đến 2.52 18 Phần 3: Kết luận học kinh nghiệm Điều khiển kiểm sốt vị trí động DC chủ đề thú vị, mơ hình nghiên cứu có tính thực tế cao, sở cho việc điều khiển máy móc, kiểm sốt điều khiển rơ bốt, tảng cho phát triển mơ hình tự động hóa sau Sau q trình thực tập lớn hiểu cách thức mơ hình háo hệ thực tế Biết cách sử dụng phần mềm mô Matlab chạy thử hệ thống mơ hình simulink Biết cách khảo sát hệ thống tự động phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào thơng số bên ngồi (cụ thể đáp ứng động phụ thuộc vào mô men quán tính rotor) Bài tập lớn tạo điều kiện thực hành việc thiết kế điều khiển chạy thử máy Khảo sát vào đưa kết phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào thông số điều khiển, tự chỉnh đáp ứng hệ thống theo ý muốn Những thuận lợi trình thực tập lớn: nguồn tài liệu dồi sát với chủ đề, giáo viên hỗ trợ nhiệt tình, cung cấp tài liệu đầy đủ Thời gian tìm hiểu nghiên cứu dài, với hỗ trợ internet kết hợp với kiến thức tích lũy trình học tập lớp giúp việc hồn thành tập lớn trở nên nhanh chóng Tuy nhiên cịn nhiều khó khăn q trình thực hiện, điều khiện thực hành làm việc máy tính cịn hạn chế nên việc tiếp xúc với dạng tập cịn nhiều bỡ ngỡ Trong q trình làm khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, với mục tiêu hồn thành tập lớn cách hồn chỉnh, nhận xét, đóng góp thầy cô người đọc chúng em nghiêm túc tiếp thu 19 ... tích mơ hình hệ thống động điện chiều Động điện chiều có tham số sau: Hình 3.14: Mơ hình động điện chiều Các thông số: Mô Men qn tính khối rơto:J = 0.01 kg.m2/s2 Hệ số giảm chấn hệ thống cơ: b=0,1... lớn hiểu cách thức mơ hình háo hệ thực tế Biết cách sử dụng phần mềm mô Matlab chạy thử hệ thống mơ hình simulink Biết cách khảo sát hệ thống tự động phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào thơng số bên... Hoạt động sinh viên 2.1- Nội dung 1: Mơ hình hóa hệ thống, tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.1 2.2- Nội dung 2: Khảo sát phụ thuộc đáp ứng hệ thống theo điện trở động