Mô hình hóa và mô phỏng động cơ điện một chiều và hệ thống treo bằng phương pháp vật lý và biểu đồ Bond Graph

Phân tích mô hình hệ thống động cơ điện một chiều

Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái.

Xây dựng bộ điều khiển

Một hệ thống dù được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (feedback) của nó hay đầu ra của hệ thống (output) không hoàn toàn chính xác với giá trị mong muốn. Bên cạnh đó, nhiễu từ bên ngoài có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả là làm thay đổi giá trị mong muốn. Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển để điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (input).

Bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (feedback control),. Tín hiệu sai số được sử dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn. Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào để giảm thiểu sai số.

PID là viết tắt của Proportional (tỷ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (vi phân). Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số ( error function).

Đánh giá đặc tính tốc độ động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu

Nhận xét: Khi khởi động tốc độ góc của động cơ tăng không đều trong khoảng thời gian 4s, sau 4s kể từ khi khởi động tốc độ góc của động cơ ổn định và có giá trị giao động quanh giá trị 37.78 rad/s.

Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Ta thấy hệ thống có sai số xác lập lớn, sai số này vẫn được duy trì khi hệ thống ổn định. Qua biểu đồ nhận thấy được khi có bộ điều khiển thì vị trí của động cơ được đáp ứng nhanh hơn, tốc độ mong muốn là 15 (rad/s) được đáp ứng nhanh gọn và ổn định, độ vọt lố cũng như thời gian đáp ứng đều nằm trong giới hạn cho phép (độ vọt lố POT<5%, thời gian đáp ứng nhỏ hơn 5s). Bài số 2: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống treo xe bus và mô hình hệ thống treo xe bus như hình 1 và 2.

- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống treo của xe ôtô. - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ treo. - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus.

- Mô phỏng và đánh giá các đặc tính giao động của thân xe sử dụng phần mềm 20-.

XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ HỆ THỐNG TREO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ

Giả thiết các điều kiện ban đầu đều bằng không, những phương trình này đặc trưng cho trạng thái bánh xe buýt bị xóc.

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH GIAO ĐỘNG CỦA THÂN XE SỬ DỤNG PHẦN MỀM 20-SIM

Nhận xét : Khi không có tín hiệu điều khiển u mà ta cấp đầu gây nhiễu là tín hiệu xung thì vị trí ban đầu dao động rất mạch, gấp khúc đồng thời tốc độ đi xuống lớn mất ổn định. Để có thể điều khiển hệ thống thông thường hiện nay chúng ta có một vài bộ điều khiển như bộ điều khiển P, PD, PI, PID.  P: là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.

Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ.

Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.  Nhận xét: Thân xe dao động mạch mạch, độ vọt lố cao, thời gian xác lập lâu , tuy nhiên vẫn có xu hướng ổn định từ 10s về cuối.

 Nhận xét: Nhận thấy dự dao động của thân xe bắt đầu giảm, độ xác lập nhanh , độ vọt lố thấp thân xe bắt đầu có tính ổn định hơn so với kết quả ở trên.Biên độ lớn nhât của xe chưa đến 2.  Kết Luận: Từ hai kết quả trên ta có thể dự doán thông số bộ điều khiển sẽ theo hướng như sau: Kp>Ki>Kd.  Nhận xét: Ta thấy hệ thống lúc này đã ổn định hơn rất nhiều, biên độ dao động lớn nhất của thân xe chỉ còn khoảng 1,3 và thời gian xác lập nhanh dưới 1s.

Trong đó: Trong đó: R là tín hiệu đặt góc nghiêng con lắc; 𝜃 là góc nghieng côn lắc; u là tín hiệu điều khiển. - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc - Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả con lắc và hệ thống điều khiển hệ con lắc. - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc nghiêng của con lắc sử dụng phần mềm 20-.

XÂY DỰNG BIỂU DỒ BOND GRAPH MÔ TẢ CON LẮC VÀ HỆ THỐNG DIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC

Bước 3: Chọn phần tử strorage( I hoặc C), gán các quan hệ nhân quả tích phân và mở rộng cho các bond còn lại. Bước 5: Chọn bất kỳ phần tử R, giả định quan hệ nhân quả cho phần tử này rồi mở rộng cho các bond liên quan. Biểu diễn Bond graph gồm 2 phần: Phần điện bao gồm điện áp đặt vào, điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng.

Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch “singer port” bằng kết nối nó với 1- junction bằng đường power bond;. Bước 4: Nếu các vị trí có thế đất đã được xác định, thì xóa bỏ 0- junction tại đó và tất cả các bonds kết nối đến nó;. Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) được sử dụng như một liên kết giữa một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí.

Sau khi thiết lập được bond graph thì nhóm em bắt đầu bước rút gọn và gán thêm effort và flow cho bond graph. - Bước 2: chèn 1-port lực (mô men cho chuyển động quay) tạo ra các phần tử giữa các cặp 1-Junction bằng cách sử dụng 0-Junction. Đưa vào các phần tử dung kháng và trở kháng tới power bonds và kết nối chúng tới 1-junctions 1 sử dụng 0- junctions.

Do hệ con lắc này vừa có chuyển động tịnh tiến của xe lại có chuyển động song phẳng của cần lắc nên trước khi thiết lập bond graph thì nhóm sẽ phân tích vận tốc trên hệ. Trước hết coi con lắc là đồng chất nên trọng tâm con lắc sẽ ở giữa thanh, các vị trí cần phân tích đó là vị trí trọng tâm con lắc cùng với vị trí mà con lắc ghim vào xe. Do con lắc liên kết với xe tại điểm gắn p(pinned) nên vận tốc tại điểm này sẽ bằng với vận tốc của xe.

Sau khi thiết lập được bond graph thì nhóm em bắt đầu bước rút gọn và gán thêm effort và flow cho bond graph. Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín, kết hợp 3 bộ điều khiển vi phân, tích phân, tỉ lệ. Nó có chức năng điều khiển hệ thống đáp ứng nhanh, vọt lố thấp, sai số xác lập bằng 0 nếu chọn thông số phù hợp.