- Bộ điều khiển tốc độ: tương tự như bài toán điều khiển tốc độ, tuy nhiên ở bài toán điều khiển vị trí sẽ có thêm bộ điều khiển Position controller, bộ điều khiển này sẽ nhận kết quả sai số vị trí và đưa ra kết quả là tốc độ tham chiếu.
31 Hình 4.22. Sơ đồ khối so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (tốc độ).
Hình 4.23. Tốc độ đặt vào (rpm)
Hình 4.24. Momen xoắn đặt vào (Nm)
32 Hình 4.25. Kết quả mô phỏng so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (tốc độ)
33
- Bộ điều khiển vị trí
Hình 4.26. Sơ đồ khối so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (vị trí)
Hình 4.27. Vị trí đặt vào (deg)
34 Hình 4.29. Kết quả mô phỏng so sánh giữa bộ điều khiển đơn và phân tầng (vị trí)
35
CHƯƠNG 5
Case studies: Mô phỏng và điều khiển bướm ga điện tử BOSCH DV-E5
36
Kí hiệu Tên gọi
Ra Điện trở phần ứng (Ohm)
La Điện cảm phần ứng (H)
Kb Hằng số sức điện động (V.s/rad)
Kb’ Hằng số sức điện động của tải (V.s/rad)
Km Hằng số momen xoắn của motor (N.m/A)
Km' Hằng số momen xoắn của tải (N.m/A) (kg.𝐦𝟐)
Jm Momen quán tính của motor (kg.𝐦𝟐)
JL Momen quán tính của tải (kg.𝐦𝟐)
Jeq Momen quán tính tương đương của tải
Bm Hệ số giảm chấn nhớt của motor (N.m.s/rad)
BL Hệ số giảm chấn nhớt của tải (N.m.s/rad)
Beq Hệ số giảm chấn nhớt tương đương của tải (N.m.s/rad)
Ks Độ cứng trả về của lò xo (Nm/rad)
Tpl Momen ban đầu của lò xo (N.m)
Tf Momen ma sát sinh ra bởi sự di chuyển của bướm ga (N.m)
N Tỉ số truyền (N = ωm/ωL)
θ Góc quay của các bướm ga (rad)
37 Áp dụng định luật Kirchoff : Raia(t) + La dia(t) dt + Kbωm(t) = Va(t) (12) Với eb(t) = Kbωm(t), N = ωm ωL và K’b = KbN => eb(t) = K’b ωL , thay vào (12): Raia(t) + La dia(t) dt + K’bωL(t) = Va(t) (13) Áp dụng định luật II Newton: Jmω̇m(t) + Bmωm(t) + TL(t) N = Kmia(t) (14) Hệ thống ETC có momen tải TL(t) là:
TL(t) = JLω̇L(t) + BLωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) (15) Trong đó: sgn(ωL) là hàm tín hiệu được xác định bởi:
sgn(ωL) = { −1 𝑛ế𝑢 𝜔𝐿 < 0 0 𝑛ế𝑢 𝜔𝐿 = 0 1 𝑛ế𝑢 𝜔𝐿 > 0 } (16) Kết hợp (14) và (15) (14) Jmω̇m(t).N + Bmωm(t).N + JLω̇L(t) + bLωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) = Kmia(t).N => Jm[Nω̇L(t)].N + Jmω̇L(t) + Bm[NωL(t)].N + bLωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) = K’mia(t) => Jmω̇L(t).N2 + Jmω̇L(t) + BmωL(t).N2 + BLωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) = K’mia(t) => [JmN2 + JL] ω̇L(t) + [BmN2 + BL] ωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf sgn(ωL) = K’mia(t) => Jeqω̇L(t) + BeqωL(t) + KsθL(t) + TPL + Tf .sgn(ωL) = K’mia(t) (17)
38 - Từ công thức (13) và (17), cùng với sự kế thừa mô hình DC Motor đã được thiết kế bên trên, ta tiến hành thiết kế mô hình bướm ga điện tử:
Hình 5.3. Mô hình hóa bướm ga điện tử
- Đưa các thông số bướm ga BOSCH-DVE5 ở hình 5.2 vào mô hình:
39
- Điều khiển vị trí góc bướm ga
Hình 5.5. Sơ đồ khối điều khiển vị trí góc bướm ga
Hình 5.6. Thông số Kp , Ki bộ điều khiển vị trí
40
Hình 5.8. Thông số Kp , Ki bộ điều khiển dòng
- Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí góc bướm ga
41
Chương 6 KẾT LUẬN
Đề tài điều khiển động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PI tuy không phải là một đề tài mới, nhưng qua đó đã phản ánh được tính nghiêm túc trong việc học hỏi và vận dụng các kiến thức vào việc thực hiện đề tài. Sau thời gian hai tháng nghiên cứu em đã hoàn thành đề tài với các kết quả đạt được như sau: Nắm vững tổng quan về động cơ một chiều, các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều, xây dựng được mô hình hệ truyền động điện một chiều trên Matlab & Simulink và lý thuyết điều khiển tự động từ đó làm cơ sở cho việc xây dựng bộ điều khiển PI ứng dụng cho động cơ một chiều. Mô hình hóa động cơ DC được hoàn thiện, khi cho thông số đầu vào cấp vào động cơ thì ta được kết quả mô phỏng gần đúng, thỏa mãn mong muốn ban đầu mà nhóm đã đặt ra. Sử dụng bộ điều khiển phân tầng sẽ giúp làm giảm đáng kể độ vọt lố, làm tăng tính hiệu quả hơn rất nhiều trong việc điều khiển so với bộ điều khiển đơn. Bên cạnh đó, đề tài vẫn còn một số hạn chế như: do không đủ điều kiện nên chưa thể làm mô hình thực nghiệm để hiểu rõ hơn về tính hiệu quả của bộ điều khiển mà nhóm thiết kế.
42
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] PGS.TS Đỗ Văn Dũng (2013), “Giáo trình Điện động cơ và điều khiển động cơ”, Nhà xuất bản ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, Tp. HCM, Việt Nam. [2] ThS. Nguyễn Long Khánh (2015), “Giáo trình Hệ thống điện và điện tử động
cơ ô tô”, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Tp. HCM, Việt Nam. [3] “Động cơ điện một chiều – Wikipedia tiếng Việt.” Wikipedia,
https://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90%E1%BB%99ng_c%C6%A1_%C4 %91i%E1%BB%87n_m%E1%BB%99t_chi%E1%BB%81u . Ngày truy cập 17/05/2022
Tiếng Anh
[4] Nian, X Peng, F & Zhang, H. (2014). Regenerative braking system of electric vehicles driven by brushless DC motors. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61(10), 5798-5808.
[5] “DC Motor Speed: Simulink Modeling.”, https://ctms-engin-umich-
edu.translate.goog/CTMS/index.php?example=MotorSpeed§ion=Simuli nkModeling&_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=vi&_x_tr_hl=vi&_x_tr_pto=op,sc. Accessed 17 May 2022.
43
ASSIGNMENT 1
CÂU HỎI
1. Sự khác biệt giữa bộ điều khiển mở và điều khiển vòng kín là gì ? 2. Nêu ưu điểm/ nhược điểm của bộ điều khiển vòng mở và vòng kín ?
44
BÀI LÀM
Câu 1 : Sự khác biệt giữa bộ điều khiển mở và điều khiển vòng kín là gì ?
*Sự khác biệt giữa bộ điều khiển mở và điều khiển vòng kín:
+ Cách vận hành của một hệ thống có thể được xác định bằng một phương trình vi phân được gọi là hệ thống điều khiển. Vì vậy, nó điều khiển các thiết bị khác nhau cũng như hệ thống với sự trợ giúp của các vòng điều khiển. Hệ thống điều khiển được phân thành hai loại như vòng mở và vòng kín. Sự khác biệt chính giữa hệ thống điều khiển vòng mở và vòng kín là đầu ra yêu cầu trong vòng lặp mở không phụ thuộc vào hành động được kiểm soát trong khi trong vòng kín, đầu ra yêu cầu chủ yếu phụ thuộc vào hành động được kiểm soát.
+ Hệ thống điều khiển vòng lặp mở là hệ thống đầu ra không thay đổi hoạt động của hệ thống điều khiển, ngược lại hoạt động của hệ thống phụ thuộc vào thời gian còn được gọi là hệ thống điều khiển vòng hở, nó không có bất kỳ phản hồi nào.
+ Hệ thống điều khiển vòng kín có thể được định nghĩa là đầu ra của hệ thống phụ thuộc vào đầu vào của hệ thống. Hệ thống điều khiển này có một hoặc nhiều vòng phản hồi giữa đầu vào và đầu ra của nó. Hệ thống này cung cấp đầu ra theo yêu cầu bằng cách đánh giá đầu vào của nó. Loại hệ thống này tạo ra tín hiệu lỗi và nó là sự chênh lệch giữa đầu ra và đầu vào của hệ thống
Câu 2 : Nêu ưu điểm/ nhược điểm của bộ điều khiển vòng mở và vòng kín ?
- Ưu điểm của hệ thống điều khiển vòng mở:
+ Nó rất đơn giản, chi phí bảo trì thấp, vận hành nhanh chóng và tiết kiệm chi phí. Hệ thống hoạt động một cách dễ dàng và nhanh chóng, ít cần bảo vệ.
+ Hệ thống điều khiển vòng lặp mở rất đơn giản và dễ thiết kế. + Chúng rẻ hơn đáng kể so với các loại hệ thống điều khiển khác. + Việc bảo trì hệ thống điều khiển vòng hở rất đơn giản.
+ Nói chung, các hệ thống vòng lặp mở là ổn định ở một mức độ nào đó. + Các loại hệ thống này dễ xây dựng và thuận tiện khi sử dụng.
- Nhược điểm của hệ thống điều khiển vòng mở:
+ Độ chính xác của hệ thống này thấp và ít đáng tin cậy. + Băng thông của hệ thống điều khiển vòng hở ít hơn.
45 + Hệ thống vòng lặp mở không chính xác về bản chất và cũng không đáng
tin cậy.
+ Nếu đầu ra của chúng bị ảnh hưởng bởi một số nhiễu bên ngoài, không có cách nào để sửa chúng tự động vì đây là các hệ thống không phản hồi. - Ưu điểm hệ thống điều khiển vòng kín:
+ Các hệ thống này rất chính xác và ít lỗi hơn.
+ Các lỗi có thể được sửa chữa thông qua tín hiệu phản hồi. + Băng tần cao.
+ Nó hỗ trợ tự động hóa tốt hơn.
+ Chúng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
+ Nhược điểm của hệ thống điều khiển vòng kín.
Tuy rằng hệ thống điều khiển vòng kín mang lại rất nhiều lợi ích. Nhưng không phải chúng không có nhược điểm. Và sau đây là một số nhược điểm hiện hữu của hệ thống:
+ Việc thiết kế hệ thống này rất phức tạp. + Chi phí đầu tư xây dựng hệ thống rất đắt. + Bảo trì thường tốn công và cần thiết.
+ Hệ thống điều khiển dao động đôi khi do tín hiệu phản hồi.
+ Cần nhiều thời gian và công sức trong thiết kế và thử nghiệm hệ thống.
Câu 3 : Lấy 1 ví dụ về hệ thống điều khiển mở và kín trên ô tô?
- Hệ thống điều khiển mở trên ô tô: Hệ thống điều khiển nâng hạ kính xe bằng dây cáp
Controller: Người lái xe → Actuator: Dây cáp xoắn → Planner: Kính xe ô tô.
- Hệ thống điều khiển kín trên ô tô: Hệ thống lái điện tử (EPS):
Cảm biến góc quay vô lăng Controller: Hệ thống
tính toán và điều khiển dòng thủy lực xuống
thước lái
Actuator: Mô tơ đẩy thanh răng
lái
46
ASSIGNMENT 2
Bài 1: Mô phỏng và phân tích hệ thống xe với đầu ra là vận tốc và quãng đường trong 3 trường hợp :
- Thay đổi thông số đầu vào
- Thay đổi các tham số của hệ thống (b,k,m)
+ Phương trình động lực học áp dụng định luật II Newton, ta có công thức sau :
F ma
. .
F t b v t m a t F t b v t. m v t. + Biến đổi Laplace :
. . .
F s b v s m v s s
.
F s v s ms b
+ Tìm hàm truyền với đầu ra là vận tốc :
1 . v s v s output H s input F s v s ms b ms b
+ Mô phỏng trong Matlab-Simulink :
- Thiết lập mô hình hệ thống xe với đầu ra là vận tốc và quãng đường trong 3 trường hợp :
47
Thay đổi đầu vào *CODE
close all
clc
b = input('Damping coefficient(Ns/m): ');
m = input('Vehicle mass(kg): ');
ctrl = input('Fore(N): ');
Mô hình hệ thống xe trong Simulink với đầu ra quãng đường và vận tốc
- Các tham số b , m , lực F kéo lấy từ workspace của Matlab và được tự do điều chỉnh bởi người dùng
+ Kết quả với các thông số đầu vào :
a/ Thay đổi lực kéo F
- Trường hợp 1 : m = 1000kg , b = 50Ns/m , F = 2000N ( đường nét đứt ) - Trường hợp 2 : m = 1000kg , b = 50Ns/m , F = 2500N
- Trường hợp 3 : m = 1000kg , b = 50Ns/m , F = 3000N ( đường tam giác )
49
Đồ thị quãng đường với sự thay đổi thông số đầu vào là lực kéo
*Nhận xét : Khi ta tăng lực kéo F và giữ nguyên 2 thông số còn lại thì quãng đường và vận tốc sẽ tăng dần
b/ Thay đổi các tham số b , m
- Trường hợp 1 : F = 1500N , m = 1000kg , b = 100Ns/m ( đường nét đứt ) - Trường hợp 2 : F = 1500N , m = 1500kg , b = 150Ns/m
50
51
Đồ thị quãng đường với sự thay đổi của thông số b , m
*Nhận xét : Khi ta tăng 2 thông số b và m đồng thời giữ nguyên lực kéo F thì vận tốc và quãng đường có xu hướng giảm
52
Bài 2: Mô phỏng và phân tích hệ thống MSD với đầu ra là quãng đường ,vận tốc, gia tốc trong 3 trường hợp :
- Thay đổi đầu vào
- Thay đổi các tham số của hệ thống (b,k,m)
+ Phương trình động lực học áp dụng định luật II Newton . Ta có :
F ma
. . .
F t b v t k x t m a t F t b x t. k x t. m x t. + Biến đổi Laplace :
2 . . . . . F s b s x s k x s m s x s 2 . F s x s ms bs k
+ Tìm hàm truyền với đầu ra là quãng đường :
2 2 1 . x s x s output H s input F s x s ms bs k ms bs k
+ Mô phỏng trong Matlab-Simulink :
- Mô phỏng hệ thống MSD với đầu ra là quãng đường, vận tốc và gia tốc trong 3 trường hợp:
Thay đổi đầu vào
Thay đổi các tham số của hệ thống (m, k, b)
*CODE
53
clc
ctrl = input('Force(N): ');
m = input('Object mass(kg): ');
b = input('Damping coefficient (Ns/m): ');
k = input('Spring stiffness (N/m): ');
Mô hình hệ thống MSD trong Simulink với đầu ra là quãng đường, vận tốc, gia tốc
Các tham số m, b, k, lực F kéo lấy từ workspace của Matlab và được tự do điều chỉnh bởi người dùng
Kết quả với các thông số đầu vào :
a/ Thay đổi lực kéo F
- Trường hợp 1 : F = 15N , b = 3Ns/m , k = 1N/m , m = 1kg ( đường nét đứt ) - Trường hợp 2 : F = 25N , b = 3Ns/m , k = 1N/m , m = 1kg
- Trường hợp 3 : F = 45N , b = 3Ns/m , k = 1N/m , m = 1kg ( đường tam giác )
54
55
56
Đồ thị gia tốc với sự thay đổi của lực kéo F
b/ Thay đổi các tham số b,k,m
- Trường hợp 1 : F = 20N , b = 2Ns/m , k = 2N/m , m = 2kg ( đường nét đứt ) - Trường hợp 2 : F = 20N , b = 4Ns/m , k = 3N/m , m = 3kg
- Trường hợp 3 : F = 20N , b = 5Ns/m , k = 5N/m , m = 5kg ( đường tam giác )
57
58
59
60
ASSIGNMENT 3
Question: Determine the output responses with impulse inputs
*Set F = 15N for all cases
- Case 1 : m = 1kg , k = 1N.m , b = 3 Ns/m - Case 2 : m = 1kg , k = 1N.m , b = 0.2 Ns/m - Case 3 : m = 1kg , k = 1N.m , b = -3 Ns/m - Case 4 : m = 1kg , k = 1N.m , b = -0.2 Ns/m
61
62
63
Acceleration – Time graph
*Nhận xét : Khi ta tăng giá trị của b và giữ nguyên các thông số còn lại thì đồ thị vận tốc và gia tốc sẽ biến thiên rất ít , có xu hướng tiến dần về 0
- Khi ta giảm dần b về một giá trị ( giá trị tới hạn ) ,nghĩa là chỉ giảm tới 1 giá trị nào đó r dừng , thì vận tốc và gia tốc có xu hướng biến động tăng dần tỉ lệ thuận theo độ giảm của b , giá trị gia tốc và vận tốc giảm dần . Và khi vượt qua giá trị điểm dừng thì như trường hợp 3 , gia tốc và vận tốc có giá trị tiến tới 1 số rất lớn ,có xu hướng tiến ra dương vô cùng .