Môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nam châm

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử cho cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí động cơ, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Thành Long
• Người hướng dẫn: TS. Lê Ngọc Duy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Môn Học Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Hệ Thống Cơ Điện Tử Cho Cấu Trúc Hệ Thống Điều Khiển Vị Trí Động Cơ Điện Một Chiều Nam Châm
• Loại tài liệu: bài tập
• 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
• 2.2. Cấu tạo của hệ thống treo ô tô
• 2.3. Phân tích vật lý của hệ thống treo của ô tô
• 2.4. Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống treo
• 2.4.1. Xây dựng biểu đồ Bond Graph trên phần mềm 20-sim
• 2.4.2. Thiết kế hệ thống bộ điều khiển
• 2.5. Mô phỏng và đánh giá đặc tính dao động của thân xe
• 2.5.1. 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 môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử

Môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển hiện đại. Đặc biệt, việc áp dụng mô hình hóa cho động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và các ứng dụng thực tiễn của nó. Môn học này không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn giúp sinh viên thực hành thông qua các phần mềm mô phỏng.

1.1. Mô hình hóa hệ thống cơ điện tử là gì

Mô hình hóa hệ thống cơ điện tử là quá trình xây dựng các mô hình toán học để mô tả hành vi của hệ thống. Điều này bao gồm việc xác định các biến số, phương trình và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.

1.2. Tầm quan trọng của mô phỏng trong nghiên cứu

Mô phỏng giúp kiểm tra và đánh giá các thiết kế trước khi thực hiện thực tế. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời giảm thiểu rủi ro trong quá trình phát triển sản phẩm.

II. Thách thức trong mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện

Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như độ chính xác của mô hình, sự phức tạp trong việc xác định các thông số và điều kiện hoạt động là những vấn đề cần được giải quyết. Việc hiểu rõ các thách thức này sẽ giúp sinh viên có cái nhìn sâu sắc hơn về quá trình thiết kế và phát triển hệ thống.

2.1. Độ chính xác của mô hình

Độ chính xác của mô hình là yếu tố quyết định đến hiệu quả của mô phỏng. Mô hình cần phản ánh đúng các đặc tính vật lý của động cơ để đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác.

2.2. Sự phức tạp trong xác định thông số

Việc xác định các thông số như điện trở, điện cảm và momen quán tính là rất quan trọng. Những thông số này cần được đo đạc chính xác để mô hình hóa đúng thực tế.

III. Phương pháp mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Có nhiều phương pháp khác nhau để mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các phần mềm mô phỏng như 20-sim, MATLAB/Simulink, và các công cụ khác. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Sử dụng phần mềm 20 sim

20-sim là một phần mềm mạnh mẽ cho phép mô phỏng các hệ thống động lực học. Phần mềm này hỗ trợ việc xây dựng mô hình Bond Graph, giúp sinh viên dễ dàng hình dung và phân tích hệ thống.

3.2. MATLAB Simulink trong mô phỏng

MATLAB/Simulink là công cụ phổ biến trong ngành kỹ thuật. Nó cho phép mô phỏng động cơ điện một chiều với độ chính xác cao và dễ dàng điều chỉnh các thông số trong mô hình.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Từ các thiết bị gia dụng đến các hệ thống công nghiệp, động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và tự động hóa. Việc hiểu rõ ứng dụng của nó sẽ giúp sinh viên có cái nhìn tổng quan hơn về lĩnh vực này.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất tự động, máy móc công nghiệp và các thiết bị điều khiển khác. Chúng giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị gia dụng

Trong các thiết bị gia dụng như quạt, máy bơm và máy giặt, động cơ điện một chiều giúp điều khiển tốc độ và hiệu suất hoạt động, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.

V. Kết luận và tương lai của môn học mô hình hóa hệ thống cơ điện tử

Môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ điện tử không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn giúp sinh viên phát triển kỹ năng thực hành. Tương lai của môn học này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến với sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển thông minh.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ ngày càng phát triển, đặc biệt là trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT). Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng mô hình hóa và mô phỏng trong các hệ thống điều khiển.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực mô hình hóa và mô phỏng sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống điều khiển, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

lOMoARcPSD|39269578 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 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 (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 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 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 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 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 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 - 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 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 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. 33 5 Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.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 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 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. 28 7 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 Hình 2. 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. 60 8 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 Hình 3. 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 Downloaded by SAU SAU ([e-mail]) lOMoARcPSD|39269578 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.