Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Điện Một Chiều, Hệ Treo Xe Bus và Con Lắc Ngược

Chuyên khảo phân tích Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng haui nhóm 14, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Thành Long
• Người hướng dẫn: TS. Lê Ngọc Duy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Hệ Thống Cơ Điện Tử
• Đề tài: Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Điện Một Chiều, Hệ Treo Xe Bus và Con Lắc Ngược
• Loại tài liệu: Phiếu Học Tập Cá Nhân/Nhóm
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. Bài số 1: Hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu
• 1.1. Tổng quan động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu
• 1.2. Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều
• 1.3. Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
• 1.4. Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
• 1.4.1. Đánh giá đặc tính góc quay của động cơ
• 1.4.2. Bộ điều khiển P
• 1.4.3. Bộ điều khiển PI
• 1.4.4. Bộ điều khiển PD
• 1.4.5. Bộ điều khiển PID
• 2. Bài số 2 Hệ thống treo
• 2.1. Tổng quan hệ thống treo xe ô tô
• 2.1.1. Hệ thống treo xe ô tô là gì?
• 2.2. Cấu tạo của hệ thống treo ô tô
• 2.3. Phân loại hệ thống treo của ô tô
• 2.4. Phân tích vật lý của hệ thống treo của ô tô
• 2.5. Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống treo
• 2.5.1. Xây dựng biểu đồ Bond Graph trên phần mềm 20-sim
• 2.5.2. Thiết kế hệ thống bộ điều khiển
• 2.6. Mô phỏng và đánh giá đặc tính dao động của thân xe
• 2.6.1. Xây dựng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển
• 3. Bài số 3 HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC
• 3.1. Tổng quan hệ thống con lắc ngược
• 3.1.1. Giới thiệu về con lắc ngược
• 3.1.2. Ứng dụng con lắc ngược
• 3.1.3. Các phương pháp điều khiển hệ thống
• 3.1.4. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng
• 3.1.5. Mục đích nghiên cứu
• 3.2. Xây dựng hàm truyền hệ thống con lắc ngược
• 3.3. Xây dựng sơ đồ Bond-Graph của hệ bằng phần mềm 20-Sim
• 3.3.1. Xây dựng bond graph cho con lắc
• 3.3.2. Xây dựng bond graph cho động cơ
• 3.3.3. Xây dựng bộ điều khiển PID
• 3.4. Mô phỏng và đánh giá hệ con lắc
• 3.4.1. Mô phỏng hệ con lắc đáp ứng hở
• 3.4.2. Mô phỏng hệ con lắc đáp ứng vòng kín

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ Điện Một Chiều

Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều là một phần quan trọng trong công nghệ tự động hóa. Động cơ điện một chiều, hay còn gọi là động cơ DC, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau nhờ vào khả năng điều khiển tốc độ và mô men xoắn dễ dàng. Hệ thống này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tăng cường độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp.

1.1. Động cơ điện một chiều là gì

Động cơ điện một chiều là loại động cơ sử dụng dòng điện một chiều để hoạt động. Nó có cấu tạo đơn giản và dễ dàng điều khiển, thường được sử dụng trong các thiết bị như quạt, máy bơm và xe điện.

1.2. Ứng dụng của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, giao thông vận tải và thiết bị gia dụng. Chúng giúp tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất làm việc.

II. Vấn đề và Thách thức trong Hệ Thống Điều Khiển Động Cơ

Mặc dù hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức. Việc điều khiển chính xác và ổn định là một trong những vấn đề lớn nhất mà các kỹ sư phải đối mặt. Ngoài ra, việc bảo trì và sửa chữa cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.1. Các vấn đề thường gặp trong điều khiển động cơ

Các vấn đề như độ trễ trong phản hồi, sai số trong điều khiển và sự ổn định của hệ thống là những thách thức lớn. Những vấn đề này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

2.2. Giải pháp cho các thách thức trong điều khiển

Sử dụng các bộ điều khiển PID và các thuật toán điều khiển tiên tiến có thể giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống. Việc tối ưu hóa các thông số điều khiển cũng rất quan trọng.

III. Phương Pháp Điều Khiển Động Cơ Điện Một Chiều Hiệu Quả

Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

3.1. Phương pháp điều khiển điện áp

Điều khiển điện áp là phương pháp phổ biến nhất, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho động cơ. Phương pháp này đơn giản và hiệu quả.

3.2. Phương pháp điều khiển từ thông

Phương pháp này điều chỉnh từ thông của động cơ để kiểm soát tốc độ. Mặc dù hiệu quả, nhưng nó thường khó thực hiện và ít được sử dụng trong thực tế.

IV. Hệ Treo Xe Bus và Ứng Dụng Thực Tiễn

Hệ treo xe bus đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự êm ái và an toàn cho hành khách. Hệ thống này giúp giảm thiểu rung động và cải thiện khả năng điều khiển của xe khi di chuyển trên các bề mặt không bằng phẳng.

4.1. Cấu tạo của hệ treo xe bus

Hệ treo xe bus thường bao gồm các bộ phận như lò xo, ống giảm chấn và các bộ phận dẫn hướng. Mỗi bộ phận có chức năng riêng, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

4.2. Ứng dụng của hệ treo trong giao thông

Hệ treo không chỉ giúp cải thiện sự thoải mái cho hành khách mà còn tăng cường độ ổn định và an toàn cho xe. Điều này rất quan trọng trong các chuyến đi dài và trên các tuyến đường khó khăn.

V. Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Hệ Thống Con Lắc Ngược

Hệ thống con lắc ngược là một trong những mô hình thú vị trong lĩnh vực điều khiển. Việc mô phỏng hệ thống này giúp hiểu rõ hơn về các nguyên lý điều khiển và ứng dụng trong thực tế.

5.1. Nguyên lý hoạt động của con lắc ngược

Con lắc ngược hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng động lực học. Khi có lực tác động, con lắc sẽ nghiêng và cần có hệ thống điều khiển để giữ nó ở vị trí cân bằng.

5.2. Ứng dụng của con lắc ngược trong công nghệ

Mô hình con lắc ngược được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như robot, tự động hóa và các hệ thống điều khiển phức tạp khác. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này giúp cải thiện khả năng điều khiển trong các ứng dụng thực tiễn.

VI. Kết Luận và Tương Lai của Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều, hệ treo xe bus và con lắc ngược đều có vai trò quan trọng trong công nghệ hiện đại. Tương lai của các hệ thống này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng mới, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ 4.0.

6.1. Xu hướng phát triển trong công nghệ điều khiển

Công nghệ điều khiển đang ngày càng phát triển với sự xuất hiện của các thuật toán thông minh và tự động hóa. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai.

6.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điều khiển là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Việc đầu tư vào công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ------ MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Ngọc Duy Sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Thành Long 2. Đặng Đình Luân 3.

Cao Phan Lương Hà Nội - 2022 (BM01) PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I. Thông tin chung 1. Tên lớp: ……………… Khóa: K15 2.Họ và tên thành viên: Nguyễn Thành Long Đặng Đình Luân Cao Phan Lương NỘI DUNG HỌC TẬP Bài số 1: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu như hình 1. Và mạch phần ứng động cơ điện một chiều như hình 2.

Trong đó: R là tín hiệu đặt tốc độ; 𝜃 là góc quay của động cơ; u là tín hiệu điều khiển động cơ. Các thông số của động cơ như sau: - Điện cảm phần ứng L: 2. 10−3 H - Điện trở phần ứng R: 0.8 Ω - Hệ số cản b = 7.6 10−3 Nms/rad - Momen quán tính J= 0.1 𝑁𝑚𝑠 2 /𝑟𝑎𝑑 - Hệ số momen K= 0.3 Hình 1 Hình 2 1 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều.

- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. - Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phần mềm 20-sim. 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. Trong đó: u là tín hiệu điều khiển hệ thống treo.

Các thông số của động cơ như sau: - Khối lượng thân xe: 2500kg - Khối lượng bánh xe: 320kg - Độ cứng hệ treo K1 : 60000N/m - Độ cứng lốp xe K2 : 400000N/m - Hệ số cản hệ treo b1 : 350Ns/m - Hệ số cản hệ treo b2 : 15020Ns/m Hình 1 Hình 2 2 Yêu cầu: - 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-sim. Bài số 3 Cho cấu trúc hệ thống điều khiển con lắc như hình 1 và con lắc hình 2.

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. Các thông số của con lắc như sau: - Khối lượng thân xe: 0.6kg - Khối lượng con lắc: 0.1kg - Chiều dài con lắc : 0.3m - Moomen quán tính con lắc : 0.006kg*m2 - Hệ số ma sát của xe : 0.1N/m/s Hình 1 Hình 2 Yêu cầu: - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về con lắc ngược. - Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả hệ con lắc 3 - 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- sim.

KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS. Nguyễn Anh Tú TS. Lê Ngọc Duy 4 Mục Lục Bài số 1: Hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu .1 Tổng quan động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu .2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều .3 Phân loại động cơ điện 1 chiều .4 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều .5 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều .6 Ưu, nhược điểm của động cơ điện 1 chiều .2 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một chiều.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. 15 Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph: .4 Mô phỏng và đánh giá các đặc tính góc quay của động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều .1 Đánh giá đặc tính góc quay của động cơ .2 Bộ điều khiển P .3 Bộ điều khiển PI.4Bộ điều khiển PD .5 Bộ điều khiển PID.

26 Bài số 2 Hệ thống treo .1 Tổng quan hệ thống treo xe ô tô.1 Hệ thống treo xe ô tô là gì? .2 Cấu tạo của hệ thống treo ô tô .3 Phân loại hệ thống treo của ô tô .2 Phân tích vật lý của hệ thống treo của ô tô .3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống treo .1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph trên phần mềm 20-sim .2 Thiết kế hệ thống bộ điểu khiển.4 Mô Phỏng Và Đánh Giá Đặc Tính Dao Động Của Thân Xe .1 Xây dựng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển. 41 Bài 3 HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC .1 Tổng quan hệ thống con lắc ngược .1 Giới thiệu về con lắc ngược .2 Ứng dụng con lắc ngược: .3 Các phương pháp điều khiển hệ thống.4 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng .5 Mục đích nghiên cứu .2 Xây dựng hàm truyền hệ thống con lắc ngược .3 Xây dựng sơ đồ Bond-Graph của hệ bằng phần mềm 20-Sim .1 Xây dựng bond graph cho con lắc: .2 Xây dựng bond graph cho động cơ .3 Xây dựng bộ điều khiển PID.4 Mô phỏng và đánh giá hệ con lắc.1 Mô phỏng hệ con lắc đáp ứng hở.2 Mô phỏng hệ con lắc đáp ứng vòng kín. 61 6 Danh Mục Hình Ảnh Hình 1. 1:Cấu tạo động cơ điện 1 chiều.

2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều. 1 Sơ đồ Bond Graph hệ thống động cơ điện 1 chiều. 2 Sơ đồ Bond Graph đã xác định quan hệ nhân quả. 1: Sơ đồ Bond Graph của hệ thống 18 Hình 1.

2: Thiết lập thông số cho hệ thống. 3: Đặc tính góc quay của động cơ. 4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P. 5: Thiết lập thông số hệ thống với bộ điều khiển P.

6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều kiển P với Kp=1. 7: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PI. 8: Thiết lập thông số hệ thống với bộ điều khiển PI. 9: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều kiển PI.

10: Thiết lập thông số cho bộ điều khiển với Ki = 100. 11: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI khi thay Ki=100. 12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PD. 13: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PD.

14: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với thông số ban đầu. 15: Thiết lập thông số cho bộ điều khiển với Kd = 0. 16: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với KD=0. 17 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID.

18: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PID. 19: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với thông số ban đầu. 20: Thiết lập thông số cho bộ điều khiển PID với Kp = 1, Ki = 100, Kd = 0. 21: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID.

1 Biểu đồ bond mô phỏng trên 20sim. 2: Hình minh họa hệ thống điều khiển hồi tiếp. 3: Hình ảnh minh họa hệ thống điều khiển. 4: Hệ thống có bộ điều khiển PID.

1: Biểu đồ bond của hệ thống. 2: Hình ảnh nhập dữ liệu mô phỏng trên 20sim. 3: Dao động của hệ thống khi chưa có bộ điều khiển. 4: Hệ thống treo khi có bộ điều khiển PID.

5: Đáp ứng hệ thống treo khi Kp=10000; Kd=100; Ki=5. 6: Đáp ứng hệ thống treo khi thay đổi Kd=5; Ki=100. 7: Đáp ứng hệ thống treo khi thay đổi Kd=0. 1 Một số mô hình con lắc ngược.

2 Ứng dụng con lắc ngược trong xe cân bằng. 1 Đặt hệ trục tọa độ cho con lắc. 1 Sơ đồ Bond Graph con lắc. 2Thêm quan hệ nhân quả cho sơ đồ Bond Graph con lắc.

3 Mạch điện tổng quát động cơ. 4 Sơ đồ Bond Graph động cơ sau khi rút gọn. 5 Thêm quan hệ nhân quả cho sơ đồ Bond Graph động cơ. 1 Sơ đồ Bond Graph sau khi kết nối với động cơ.

2 Bảng cài đặt thông số cho hệ. 3 Bảng thiết lập biểu đồ. 4 Kết quả mô phỏng hệ đáp ứng hở. 5 Sơ đồ Bondgraph hệ thống đáp ứng hồi tiếp âm.

6 Kết quả mô phỏng hệ đáp ứng vòng kín hồi tiếp âm. 7 Sơ đồ BondGraph của hệ khi thêm bộ điều khiển PID. 8 Kết quả mô phỏng hệ có PID: Kp=1, Ti=1, Td=1. 9 Kết quả mô phỏng hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=1.

10 Kết quả mô phỏng hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=0. 64 9 Bài số 1: Hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu 1.1 Tổng quan động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu 1.1 Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu là gì ? Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều. Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu là động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính sau: • Rotor: là bộ phận chính, có cấu tạo trục và được quấn các cuộn dây lại với nhau. Nhờ vậy mà sẽ tạo nên được một chiếc nam châm điện.

• Stator: có kết cấu giống với một chiếc nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện. Nhờ đó chúng sẽ hoạt động với công dụng tương đương. • Cổ góp (Commutator): bộ phận này là nơi tiếp xúc và có khả năng truyền điện tới cho các cuộn dây ở trên rotor. Số điểm tiếp xúc ở trên cổ góp sẽ tương ứng với số dây được quấn ở trên bộ phận Rotor.

• Chổi than (Brushes): là nơi tiếp xúc và có thể tiếp điện được cho bộ phận cổ góp.