Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử

Trong các phương pháp điều khiển góc quay của động cơ thì phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID chính xác. Khâu hiệu chỉnh PID là trường hợp riêng của khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha, có thể xem PID là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên nó tối ưu và mang những ưu điểm của cả khâu PI và PD.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ khí BÀI TẬP LỚN MƠN: MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực : TS Phan Đình Hiếu MSV: Hà Nội - 2021 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội,ngày tháng năm 2021 Giáo viên hướng dẫn ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giáo viên chấm phản biện MỤC LỤC GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ nối tiếp 1.1.1 Đặc điểm 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều 1.1.3 Nguyên lí hoạt động 1.2 Các ứng dụng động điện chiều kích từ nối tiếp 1.3 Hệ thống điều khiển động điện chiều 1.4 Suất điện động phần ứng máy điện chiều 1.5 Công suất momen máy điện chiều 10 1.5.1 Công suất điện từ 10 1.5 Phương trình vật lí mơ tả động điện mộ chiều kích từ nối tiếp 10 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 13 2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho động điện 13 2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động điện chiều 17 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GĨC QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ 18 DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM 18 3.1.2 Đánh giá 19 3.2 Mô đánh giá đặc tính góc quay hệ thống điều khiển động điện chiều 20 3.2.1 Mô 20 3.2.2 Đánh giá 23 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan động điện chiều kích từ nối tiếp 1.1.1 Đặc điểm  Chuyển đổi lượng điện thành lượng ngược lại  Đa phần hoạt động theo nguyên lý điện từ  Tùy vào cấu tạo động có nguyên lý hoạt động khác nhau: lực tĩnh điện hay hiệu ứng điện áp 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều có cấu tạo hai phần chính: phần cảm (stator), phần ứng (roto) 1.1.2.1 Phần cảm (stator) A, Cực từ chính: phận sinh từ trường gồm lõi sắt cực từ dây kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với Hình 1.1 Cực từ phần cảm Bulông Vỏ máy Lõi sắt cực từ Dây quấn kích từ B, Cực từ phụ: Các cực từ phụ đặt cực từ để cải thiện đổi chiều C, Cổ góp: Gơng từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy D, Các phận khác: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện - Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp 1.1.2.2 Phần ứng (Roto) Hình 1.2 Lá thép phần ứng Rãnh Lỗ Thơng gió A, Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dụng để dẫn từ,thường làm tơn Silic có phủ lớp cách điện sau ép lại để giảm tổn hao dịng fucơ gây nên Trên thép có dập rãnh để ép lại tạo thành rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào B, Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dịng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép C, Cổ góp: Dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp bao gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục trịn Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica D, Các phận khác: - Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy - Trục máy: thường làm thép cacbon Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi 1.1.3 Nguyên lí hoạt động Động điện chiều hoạt động chủ yếu dựa vào định luật cảm ứng điên từ faraday Khi có dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương bị tác động lực hướng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dịng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đường sức từ trường Nghĩa lực quay động cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu nó, rotor quay theo quán tính Nếu trục động điện chiều kéo lực ngoài, động hoạt động máy phát điện chiều, tạo sức điện động cảm ứng Khi vận hành bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động sức điện động đối kháng, đối kháng lại điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện 1.2 Các ứng dụng động điện chiều kích từ nối tiếp Ứng dụng động điện chiều đa dạng lĩnh vực đời sống: tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn • Động chiều dùng nhiều máy công cụ lớn, yêu cầu tốc độ số vòng quay cao • Động chiều thường thấy ứng dụng đồ chơi, xe mơ hình, động sử dụng pin để hoạt động động chiều hết nha bạn • Như động chiều ứng dụng hầu hết thiết bị : ổ đĩa, máy photocopy,… 1.3 Hệ thống điều khiển động điện chiều Hình 1.3 Hệ thống điều khiển động  Các phần tử hệ thống: - Khối chức gồm: điều khiển (controller) mạch điện điều khiển (plant) - Bộ tổng: giúp tính số tín hiệu đặt tín hiệu phản hồi - Giá trị đặt: giá trị mong muốn trình điều khiển - Giá trị phản hồi: giá trị hiển thị sau thực trình điều khiển Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative): chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào 1.4 Suất điện động phần ứng máy điện chiều Hình 1.4 Mạch điện Sức điện động e tạo dẫn có bề dài l di chuyển với vận tốc v từ trường B tạo phần cảm, ta có: e  B.l.v Sức điện động toàn dây quấn phần ứng xác định theo quan hệ sau : = = Trong : N : Tổng số dẫn phần ứng 2a: Số mạch nhánh song song phần ứng P:Số đơi cực : Từ thơng kích từ qua cực từ : Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo động XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho động điện  Xét phần điện hệ thống: Hình 2.1 Mạch điện động điện chiều kích từ nối tiếp Hình 2.2 Đặt junction vào điểm có điện khác  Rút gọn sơ đồ : Hình 2.3 Loại bỏ junction Hình 2.4 Sơ đồ rút gọn Hình 2.5 Các phần tử hệ điện  Xét phần khí: Hình 2.6 Các phần tử hệ khí Để kết nối phần phần tử MGY phần tử biến đổi điện thành Hình 2.7 Kết nối phần điện phần khí Vận tốc quay phía học chịu ảnh hưởng dòng điện tạo tượng cảm ứng điện từ hệ số momen trục động Hình 2.8 Mơ ảnh hưởng hệ số Momen với trục động Sử dụng khối multiplydivide để kết nối phần kích từ với phần tử biến đổi điện thành nên ta có biểu đồ bondgraph cho hệ thống Sử dụng khối tích phân đầu góc quay: Hình 2.9 Biểu đồ bondgraph hoàn chỉnh 2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển động điện chiều Theo yêu cầu, Hệ thống điều khiển động điện chiều kích từ nối tiếp với tín hiệu đặt R, tín hiệu vào mạch điện động điện áp tín hiệu đầu hệ thống tốc độ quay động Trong phương pháp điều khiển góc quay động phương pháp sử dụng điều khiển PID xác Khâu hiệu chỉnh PID trường hợp riêng khâu hiệu chỉnh sớm trễ pha, xem PID khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên tối ưu mang ưu điểm khâu PI PD Khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng độ giảm sai số xác lập Theo đó, tín hiệu đặt R góc quay mong muốn hệ thống mơ khống constant với giá trị góc quay khơn đổi R=50 Tín hiệu phản hồi từ động góc quay thực tế, lỗi đưa vào khâu hiệu chỉnh PID để đạt sai số nhỏ Hình 2.10 Biểu đồ bondgraph cho hệ thống điều khiển động điện chiều MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GĨC QUAY CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM 3.1 Mô đánh giá đặc tính góc quay động điện chiều 3.1.1 Mô  Dựa giá trị cho theo yêu cầu đưa ra: - Điện cảm phần ứng L: 10 10−3 H - Điện trở phần ứng R: 1.75 Ω - Điện trở mạch kích từ: Ω - Điện cảm kích từ L: 10 10−3 H - Hệ số cản b = 6.6 10−5Nms/rad - Momen quán tính J= 0.006 ���/��� - Hệ số momen K= 1.53 Hình 3.1 Thơng số cài đặt cho biểu đồ phần mềm 20-sim Giả sử động mang tải Mt=10N.m điện áp định cấp nối tiếp cho phần kích từ phần ứng 220VDc Tiến hành khảo sát đặc tính góc quay động flow ngõ khối chức tích phân đồ thị khối SignalMonitor Hình 3.2 Góc quay động kích từ nối tiếp 3.1.2 Đánh giá Giả sử động mang tải trọng Mt  10N.m Qua đồ thị khảo sát đặc tính góc quay động cơ, động quay với góc quay sau khởi động tỉ lệ thuận với thời gian Đường mơ đặc tính góc quay đường thẳng qua gốc tọa độ có phương trình: y  51,8.x (với y góc quay sau thời gian x giây) Sau thời gian 10s động quay góc:   518rad  82, 44 vịng Hình 3.3 Giá trị góc quay thời điểm t=10s 3.2 Mô đánh giá đặc tính góc quay hệ thống điều khiển động điện chiều 3.2.1 Mô Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh hệ thống:  Xét ảnh hưởng khâu tỉ lệ P đến đặc tính hệ thống: -Tín hiệu đầu trùng pha với tín hiệu đầu vào -Hệ số Kp lớn sai số xác lập nhỏ (ln tồn sai số xác lập) -Tuy nhiên hệ số tỉ lệ lớn làm độ vọt lố cao, hệ thống ổn định  Xét ảnh hưởng khâu tỉ lệ PI đến đặc tính hệ thống: -Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng độ -Tăng độ vọt lố -Triệt tiêu sai số xác lập hệ thống  Xét ảnh hưởng khâu tỉ lệ PD đến đặc tính hệ thống: -Khâu hiệu chỉnh PD làm giảm độ vọt lố -Làm nhanh đáp ứng độ hệ thống -Tuy nhiên làm cho hệ thống nhạy với nhiễu tần số cao  Với tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=1 Hình 3.4 Đặc tính góc quay kp=ki=kd=1 Đánh giá: thời gian độ dài, chưa triệt tiêu sai số xác lập, độ vọt lố cao Giải pháp: tăng hệ số Kd  Chọn tham số PID: Kp=1; Ki=1; Kd=80 Hình 3.5 Đặc tính góc quay kp=1;ki=1;kd=80 Đánh giá: Chưa triệt tiêu sai số xác lập, độ vọt lố Giải pháp: tăng dần hệ số Ki Kp Chọn tham số PID: Kp=3; Ki=5; Kd=80 Hình 3.6 Đặc tính góc quay kp=3;ki=5;kd=80 Đánh giá: - Sai số xác lập cải thiện đáng kể - Thời gian độ nhỏ nhiều so với hệ số trước - Độ vọt lố thấp Hình 3.7 Thơng số cài đặt hệ thống điều khiển động điện chiều 3.2.2 Đánh giá Sử dụng điều khiển PID cho hệ thống động điện chiều khắc phục yếu tố gây ổn định cho hệ thống Xét đặc tính góc quay động điện chiều kích từ nối tiếp trên, ban đầu động quay với vận tốc không đổi Khi thêm điều khiển PID vào hệ thống kiểm sốt góc quay động phạm vi giá trị góc quay mong muốn Tiếp tục hiệu chỉnh hệ số Kp, Kd, Ki làm hệ thống đáp ứng nhanh, xác với kết thu sau khảo sát đặc tính góc quay trường hợp: Kp=3; Ki=5; Kd=80 sau: - Sai số xác lập hệ thống : 0,12% - Thời gian đáp ứng: 0,56(s) - Độ vọt lố: thấp Hình 3.8 Đặc tính góc quay động sử dụng hệ thống PID Hình 3.9 Giá trị góc quay xác lập hệ thống so với giá trị đặt KẾT LUẬN Bài tập mơn học mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử động điện chiều kích từ nối tiếp giúp sinh viên hiểu cách hoạt động động điện chiều nói chung động điện chiều kích từ nối tiếp nói riêng góc độ phân tích Khi tìm hiều giải vấn đề đặt yêu cầu tập chúng em xây dựng dược phương trình trạng thái mơ tả động điện chiều kích từ nối tiếp, đồng thời thiết kế xây dựng biểu đồ bond graph phần mềm 20-sim để mơ cho động chiều kích từ nối tiếp hệ thống điều khiển động điện chiều kích từ nối tiếp áp dụng cho động khác Bộ điều khiển PID sử dụng thiết kế hệ thống điều khiển với tín hiệu cần ổn định góc quay cảu động Khảo sát phụ thuộc góc quay điện áp phần ứng thay đổi thông qua chọn tham số điều khiển PID Biết cách lựa chọn thông số cho điều khiển PID Từ nhóm tìm tham số điều khiển PID động hoạt động ổn định là: Kp= Kd= 80 Ki= Cũng cố lại kiển thức mơn lí thuyết điều khiển cấu chấp hành điều khiển Đồng thời, tích lũy kiến thức quan trọng để phục vụ cho việc học tập học phần có liên quan, đồ án môn học đồ án tốt nghiệp sau Báo cáo đề tài cố gắng nghiên cứu thành viên nhóm em với giúp đỡ nhiệt tình TS Nguyễn Xuân Thuận qua em nắm bắt cách tổ chức nghiên cứu nắm bắt nội dung quan trọng đề tài để viết báo cáo đầy đủ chi tiết Có thể khơng thể tránh thiếu sót nhỏ, nhóm em kính mong thầy bảo để nhóm hồn thiện tự tin trình học tập làm việc sau Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Das, Mechatronics modeling and simulation using Bond Graphs, CRC press, 2009 [2] Huỳnh Thái Hồng, Mơ hình hóa nhận dạng hệ thống, ĐHBK TPHCM, 2012 [3] Phạm Thị Thục Anh, Nguyễn Cơng Hiền, Mơ hình hóa hệ thống mô phỏng, NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 28 ... 0,56(s) - Độ vọt lố: thấp Hình 3.8 Đặc tính góc quay động sử dụng hệ thống PID Hình 3.9 Giá trị góc quay xác lập hệ thống so với giá trị đặt KẾT LUẬN Bài tập mơn học mơ hình hóa mơ hệ thống điện tử... sơ đồ : Hình 2.3 Loại bỏ junction Hình 2.4 Sơ đồ rút gọn Hình 2.5 Các phần tử hệ điện  Xét phần khí: Hình 2.6 Các phần tử hệ khí Để kết nối phần phần tử MGY phần tử biến đổi điện thành Hình 2.7... BOND GRAPH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Xây dựng biểu đồ bond graph cho động điện  Xét phần điện hệ thống: Hình 2.1 Mạch điện động điện chiều kích từ nối tiếp Hình 2.2 Đặt junction vào điểm có