MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ CƠ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI LỜI NĨI ĐẦU KHOA CƠ KHÍ  - - Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày mạnh mẽ tất lĩnh vực đời sống xản xuất Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào hoạt động sản xuất đòi hỏi người phải khơng ngừng học hỏi nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật tiến giới BÀI TẬP LỚN MÔN MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ CƠ Chính vậy, phát triển ngành điện tử có ý nghĩa quan trọng sản phẩm Giáo viên hướng dẫn : TS PHAN ĐÌNH HIẾU ngành phục vụ Sinh viên thực tất : ngành khác Hà Nội: 2020 kinh tế như: phục vụ lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển cảm ứng… Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Bài tập lớn mơn mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử giúp cho sinh viên tìm hiểu khai thác hiệu mơ hình điện tử như: mơ hình tơ, xây dựng cầu, người máy, xe lăn điện lửa… Các mơ hình sử dụng Hàtử, Nội:tên 2020 công nghiệp, thương mại quân đội, đắt đỏ, nguy hiểm bất khả thi thực thí nghiệm với hệ thống thực Các mơ hình mô tả Hà Nội: phù hợp với thực tế, thực thi thí nghiệm với 2020 chúng tiết kiệm tiền bạc, tổn thất chí thời gian Sự phát triển kinh tế Hà dẫnNội: đến u cầu mục đích sử dụng ơtơ 2020 thay đổi, xe không đơn phương tiện chuyên chở mà phải đáp ứng yêu cầu tính an tồn, độ êm dịu thoải mái, tính tiện nghi, Hà Nội: 2020 kinh tế thân thiện với môi trường Do có nhiều tiến khoa học kĩ thuật áp dụng vào công nghệ chế tạo ơtơ nhằm nâng cao độ tin cậy, an tồn, tiện nghi, giảm nhiễm mơi trường HàĐểNội: hồn 2020thành mục tiêu này, việc nghiên cứu khai thác điều khiển tốc độ công việc quan trọng Điều khiển tốc độ hệ thống quan trọng ô tô, góp phần tạo nên độ êm dịu, Hà người Nội: 2020 ổn định tính tiện nghi xe, giúp ngồi có cảm giác thoải mái dễ chịu Vì nghiên cứu mô điều khiển tốc độ hệ vơ quan trọng tính thiết thực cao Hà Nội: 2020 Trong đề tài tập lớn mơn “mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử ” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày cách cụ thể trình nghiên cứu Hà Nội: 2020 tìm hiểu tính tốn mơ hình hóa mơ điều khiển tốc độ hệ Thơng qua áp dụng vào nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành trường Hà Nội: 2020 Để báo cáo hoàn thiệnHàhơn, Nội:nhóm 2020 chúng em hi vọng nhận góp ý từ phía thầy Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Anh Tú TS Phan Đình Hiếu nhiệt tình hướng dẫn tập lớn mơn cho chúng em Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 MỤC LỤC Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 Hà Nội: 2020 DANH MỤC HÌNH ẢNH PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ điện tử Khóa: K13 Tên nhóm: Họ tên thành viên II Nội dung học tập Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ hệ hình Trong đó: M1 M2 khối lượng hai xe Hai xe liên kết với lò xo Bỏ qua ma sát bánh xe với mặt đường Các thông số hệ thống sau: - Khối lượng vật 1: kg - Khối lượng vật 2: k g - Độ cứng lò xo: 0.05 N/m - Tốc độ đặt: 10m/s Yêu cầu : - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả hệ thống điều khiển hệ M1 M2 - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống điều khiển hệ M1 M2 - Mô đánh giá đặc tính hệ thống điều khiển hệ M1 M2 sử dụng phần mềm 20-sim Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình mô hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS.Nguyễn Anh Tú TS Phan Đình Hiếu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ CƠ 1.1 Giới thiệu điều khiển tốc độ Hệ thống điều khiển tốc độ bao gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số công nghệ Ngồi cịn thiết bị đóng cắt đáp ứng cho cơng nghệ người vận hành Đồng thời có số hệ truyền động có mạch ghép nối thiết bị mạch tự động khác dây chuyền sản xuất Tùy theo tính chất điều khiển mà điều khiển tốc độ phân : - Điều khiển tay( trực tiếp ) từ người vận hành Phương pháp việc điều khiển hồn tồn người vận hành tự đặt thơng số tốc độ, thời gian phương pháp mà hệ truyền động đáp ứng Thơng qua khí cụ đóng cắt các cấu điều khiển rơle, công tắc tơ, nút ấn … - Phương pháp điều khiển bán tự động Đó hệ truyền động kín có hỗ trợ hệ thống điều khiển - Phương pháp điều khiển tự động Hệ thống thực việc điều chỉnh tốc độ theo yêu cầu công nghệ với chương trình định sẵn Hình 1.1: Bộ điều khiển tốc độ động pha 1.2 Giới thiệu điều khiển tốc độ động pha Một vấn đề làm đau đầu tổ lập trình robot năm qua robot chạy khơng ổn định, vừa lập trình chạy chạy thêm vịng lại bị lỗi, Pin đầy robot chạy tốt , pin yếu chút lại chạy sai Việc dừng vị trí xác sân quan trọng, nhiên robot lại dừng chỗ này, lúc lại dừng dừng chỗ Sau nhiều nghiên cứu giải pháp tìm ra, điều khiển động dùng giải thuật PID Kỹ thuật điều khiển PID kỹ thuật điều khiển mới, lại kỹ thuật phổ biến chuyên dùng để điều khiển hệ thống công nghiệp hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động AC DC Một lý điều khiển PID trở nên phổ biến tính đơn giản, dễ triển khai vi xử lý nhỏ với hiệu tính tốn hạn chế Cấu trúc chung hệ thống vịng kín sau: Hình 1.2: Cấu trúc chung hệ thống điều khiển vịng kín Trong hình vẽ trên: - Plant: hệ thống cần điều khiển - Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, thiết kế để điều khiển toàn đáp ứng hệ thống Hàm truyền điều khiển PID có dạng sau: KI KDs2 + KI + KPs KP + + KDs = s s (1.1) Trong đó: - KP: Độ lợi khâu tỷ lệ - KI: Độ lợi khâu tích phân - KD: Độ lợi khâu vi phân Biến số (e) đại diện cho sai số giá trị mong muốn (R) giá trị ngõ (Y) Sai số (e) đưa đến điều khiển PID, điều khiển tính tốn vi phân tích phân tín hiệu sai số Tín hiệu (u) có giá trị sau: u = K P e + K I ∫ edt + K D de dt (1.2) Tín hiệu (u) đưa đến đối tượng điều khiển ta thu tín hiệu (Y) Tín hiệu lại đưa đến cảm biến để tính tốn sai số (e) Bộ điều khiển lại tính tốn giá trị vi phân, tích phân sai số Quá trình lặp lặp lại Đặc tính điều khiển P, I D: Bộ điều khiển tỷ lệ (KP) có tác dụng làm giảm thời gian lên làm giảm, không triệt tiêu, sai số trạng thái xác lập (steady- state error) Bộ điều khiển tích phân (KI) triệt tiêu sai số trạng thái xác lập, lại làm giảm chất lượng đáp ứng độ Bộ điều khiển vi phân (KD) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố tăng chất lượng đáp ứng độ Tác động điều khiển KP, KI, KD trình bày bảng sau: Bảng 1.1: Tác động điều khiển PID Thời gian Thời gian lên Độ vọt lố KP Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Tăng KI Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ độ Sai số xác lập Cần lưu ý điều khiển PID, tác động khơng xác, KP, KI KD phụ thuộc lẫn Thực ra, thay đổi thông số làm thay đổi tác động hai thơng số lại Chỉnh định điều khiển PID phương pháp Zeigler – Nichols: Ban đầu, đặt tất độ lợi KP, KI, KD Sau tăng KP lên đạt giá trị độ lợi Ku, độ lợi mà ngõ hệ thống bắt đầu dao động với biên độ không đổi Ku chu kỳ dao động Tu dùng để tính tốn độ lợi KP, KI, KD dựa vào công thức sau Bảng 1.2: Công thức tính tốn độ lợi KP,KI,KD Bộ điều khiển KP KI KD P Ku/2 - - PI Ku/2.2 Tu/1.2 - PID Ku/1.7 Tu/2 Tu/8 Driver PID cho động DC: Hình 1.3: Sơ đồ khối phần cứng Trong mạch điều khiển này, vi điều khiển đóng vai trị quan trọng Nó nhận tín hiệu điều khiển từ main board, tín hiệu hồi tiếp từ động thơng qua incremental encoder để tính tốn giá trị PWM cần thiết xuất cho khuếch đại công suất điều khiển động đạt tốc độ/vị trí mong muốn Như nói trên, PID thuật tốn điều khiển đơn giản, đó, ta sử dụng vi điều khiển từ dòng 8bit (8051, AVR, PIC16, PIC18) đến dòng cao cấp dòng 16bit (dsPIC, PIC24) 32bit (ARM, PIC 32bit, AVR 32bit) Incremental encoder phận thiếu hệ thống, cung cấp thơng tin trạng thái thời hệ thống cho vi điều khiển Encoder có độ phân giải cao cho chất lượng điều khiển tốt nhiên, encoder có độ phân giải cao yêu cầu khả xử lý vi điều khiển cao khối công suất nhằm cung cấp điện áp xác điều khiển động hoạt động dựa việc xử lý, tính tốn vi điều khiển tùy theo công suất động cần điều khiển mà ta phải thiết khối cho phù hợp 1.3 Ứng dụng hệ điều khiển PID Hình 1.4: Mô hệ điều khiển PID Trong hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt hệ thống nhằm ổn định chất lượng hệ thống người ta thường sử dụng tính ưu việt module điều 10 chỉnh tỷ lệ - tích phân - vị phân (PID) Các PID thường tích hợp săn thiết bị điều khiển (PLC hay số thiết bị điều khiển phổ biến khác) Trong toán thiết kế, vận hành hệ thống, sau tính tốn thơng số lựa chọn điều chỉnh cần thiết người ta thường phải chọn thiết đặt thơng số điều chỉnh ( P, I, D) thiết bị điều chỉnh đề hệ thống thực làm " bo mạch PID " kiểu vi xử lý Tuy nhiên, hầu hết tài liệu, giáo trình điều khiển tự động, người ta thường đưa toán : Cho hệ thống, bắt mơ hình hóa, phân tích tìm hàm truyền hệ thống, có hàm truyền ta phải thiết kế điều chỉnh theo yêu cầu ( luật điều chỉnh, cấu trúc, tham số ).Việc chọn loại điều chỉnh tham số thường dựa vào thành phần khâu lý tưởng quán tính - tích phân - vi phân - trễ Các "vật liệu" tạo nên khâu : công tắc tơ, khởi động từ hay gặp khuếch đại thuật toán Các toán giúp sinh viên hiểu chất nguyên lý điều chỉnh PID mà thơi Về thiết bị PID có nhiều cách chế tạo (trong thiết bị đó,PLC, ) Thực chất thực phép tốn khuếch đại,tích phân,vi phân(tỉ lệ, trễ pha, sớm pha) theo hệ số đó.Cách mạch thực phép tốn có nhiều cách Vd người ta chế tạo thuật tốn OA, người ta làm bo mạch gồm IC (OA,R,C,biến trở ) đóng hộp, tùy vào nhà thiết kế dùng biến trở hay số mạch biến đổi hiển thị để điều chỉnh thơng số PID Ngồi ,bây hệ thống điều khiển số phát triển mạnh Ta có điều khiển PID số, người ta thường dùng phương pháp lập trình để thực hàm chức hệ điều chỉnh Còn PID PLC , điều khiển số, tốc độ xử lý modul PID phụ thuộc vào CPU ta sử dụng modul mềm PID thích hợp cho hệ thơng có số vịng điều khiển 11 CHƯƠNG 2: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÍ ĐỂ THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ HỆ TREO 2.1 Đề yêu cầu toán Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ hệ hình Trong đó: M1 M2 khối lượng hai xe Hai xe liên kết với lò xo Bỏ qua ma sát bánh xe với mặt đường Các thông số hệ thống sau: - Khối lượng vật 1: kg - Khối lượng vật 2: k g - Độ cứng lò xo: 0.05 N/m - Tốc độ đặt: 10m/s Hình 2.5: Hệ thống điều khiển tốc độ hệ 2.2 Dùng phương pháp Newton để lập phương trình mơ tả hệ Phân tích hệ vật: Xét vật M1: 12 F − Fk1 = m1a1 = m1 dv1 dt → F − k1 ( x1 − x2 ) = m1 dv1 dt d → F − k1  ∫ v1dt − ∫ v2dt  = m1 v1 dt k (2.1) ⇒ Laplace ⇒ F( s ) − v1 ( s ) − v2 ( s )  = m1s.v1 (s ) s k k   ⇒ F( s ) − v2 ( s ) =  m1s + ÷v1 ( s ) s s  (2.1) (2.2) Xét vật M2: Fk1 = m2a2 = m2 dv dt → k1 ( x1 − x2 ) = m2 dv dt d → k1  ∫ v1dt − ∫ v2dt  = m2 v dt k ( 2.3) ⇒ Laplace ⇒ v1 ( s ) − v2 ( s )  = m2 s.v2 (s ) s k k   ⇒ v1( s ) =  m2s + ÷v2 ( s ) s s  (2.3) (2.4) Đặt k  k    k1 = A  m1s + ÷ = B  m2s + ÷ = C s s   s , , Từ (2.2) (2.4), ta có: (2.5) 13 Từ (2.2) (2.5), ta có: BC v2 ( s ) A  BC  ⇒ F ( s) =  + A ÷v2 ( s )  A  v ( s) A ⇒ G (s) = = F ( s ) BC − A2 F ( s ) − Av2 ( s ) = F − k1 ( x1 − x2 ) = m1 x1′′ k k → x1′′ = − x1 + x2 + F m1 m1 m1 +) +) k1 ( x1 − x2 ) = m2 x2′′ k k → x2′′ = x1 − x2 m2 m2   x′    ÷   x ′ ÷  −k X ′ =  ÷=   x1′′ ÷  m1  ÷  k  x ′′ ÷     m2 0 k1 m1 −k1 m2 14 0   ÷ ÷  x1   ÷  ÷ ÷  x2 ÷  ÷ 0 ÷  ÷+  ÷ ′ ÷  x1 ÷  m ÷ ÷  x ′ ÷  ÷ 0÷    ÷    x ′  0 Y =  ÷=   x ′ ÷ 0   0  x1   ÷ x 0  ÷ ÷  x ′ ÷ 1  ÷ x ′÷   CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ CƠ BẰNG PHẦN MỀM 20-SIM Hình 3.6: Hệ thống điều khiển tốc độ hệ 3.1 Mô đánh giá hệ thống hở Hình 3.7: Mơ hệ thống hở phần mềm 20-Sim - Thông số hệ thống hở: 15 Hình 3.8: Thơng số hệ thống hở 16 Đặc tính dao động lị xo Hình 3.9: Đồ thị mơ tả đặc tính dao động lị xo - Đặc tính dao động vật M2 model vantocM2 1.5 0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 time {s} Hình 3.10: Đồ thị mô tả dao động tốc vật M2 hệ thống hở Theo hình 3.5 ta thấy tốc vật M2 liên tục tăng lên Vì cần thêm điều khiển PID để tốc đạt mức độ ổn định mà đề đặt 10m/s 17 3.2 Mô đánh giá hệ thống kín gồm hệ điều khiển PID Hình 3.11: Mơ hệ thống kín điều khiển điều khiển PID phần mềm 20-Sim - Các thông số ban đầu Hình 3.12: Thơng số ban đầu hệ thống kín 18 Với thông số Kp=0,1 vận tốc vật M2 biểu diễn sau: Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn tốc độ vật M2 điều khiển PID so với vận tốc đặt ra(Với hệ số Kp=0.1) Theo ta thấy chọn Kp= 0.1 Vận tốc vật M2 điều khiển điều khiển PID vào vận tốc xác lập sau thời gian lâu Điều cải thiện ta chọn KP lớn Khi ta chọn Kp=1 vận tốc vật M2 có thay đổi rõ rệt Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn tốc độ M2 điều khiển điều khiển PID so với vận tốc đặt ra( Với Kp=1) 19 Dựa vào đồ thị ta thấy với Kp Tốc độ M2 vào trạng thái xác lập sớm dao động mạnh xung quanh vị trí vận tốc đặt Với Kp=10 Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn tốc độ M2 điều khiển PID so với tốc đặt (Với Kp=10) Với trường hợp ta thấy vận tốc vật M2 dao động quanh vị trí xác lập dao động lị xo liên tục Vì thống số điều khiển thay đổi hệ thống khơng ổn định được, điều đòi hỏi hệ thống cần có giản chấn với lị xo để hệ thống ổn định kiểm xốt Sau mơ hình mơ hệ thống cho thêm giảm chấn phần mềm 20-Sim 20 3.3 Mô đánh giá hệ thống ổn định với giảm chấn Hình 3.16: Mơ hệ thống kín dùng thêm giảm chấn phần mềm 20-Sim Thông số giảm chấn với hệ thống Hình 3.17: Thơng số hệ thống kín dùng giảm chấn 21 Khi lắp thêm giảm chấn vận tốc vật M2 so với vận tốc đặt mô tả theo biểu đồ đây: Hình 3.18: Đồ thị biển diễn tốc độ M2 điều khiển PID so với vận tốc đặt Với Kp=10 có thêm giảm chấn Nhìn vào biểu đồ ta thấy hệ thống ổn định lắp thêm giảm chấn với lò xo Tiếp theo để đánh giá đặc tính dao động vật M2 ta cần thực phép tốn tích phân vận tốc để có S, ta cần thêm khối tích phân vào biểu đồ Bond Graph để xuất tín hiệu vị trí dựa vài tín hiệu vân tốc đưa vào Hình 3.19: Biểu đồ Bond Graph hồn chỉnh 22 Đặc tính vị trí vật M2 biểu diễn qua phần mềm sau Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn vị trí vật M2 sau q trình đạt vận tốc đặt Qua đồ thị ta thấy với điều khiển PID thiết kế kết hợp với việc dùng thêm giảm chấn tốc vật M2 đạt giá trị mong muốn Cụ toán vận tốc vật M2 đạt ổn định mức 10 m/s Do đồ thị biểu diễn vị trí S đường tuyến tính tăng theo thời gian 23 ... VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ CƠ 1.1 Giới thiệu điều khiển tốc độ Hệ thống điều khiển tốc độ bao gồm cấu đo lường, điều chỉnh tham số cơng nghệ Ngồi cịn thiết bị đóng cắt đáp ứng cho cơng nghệ người...  CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ CƠ BẰNG PHẦN MỀM 20-SIM Hình 3.6: Hệ thống điều khiển tốc độ hệ 3.1 Mô đánh giá hệ thống hở Hình 3.7: Mơ hệ thống hở phần... - Phương pháp điều khiển bán tự động Đó hệ truyền động kín có hỗ trợ hệ thống điều khiển - Phương pháp điều khiển tự động Hệ thống thực việc điều chỉnh tốc độ theo u cầu cơng nghệ với chương