BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Khoa Cơ khí
----------

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn:

TS. Phan Đình Hiếu

Nhóm: 08
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Mạnh Cường - 2019601283
Ngơ Thị Thảo - 2019603806
Nguyễn Thị Huyền – 2019604225

Hà Nội – 2021


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: ME6057.3 Khóa: K14
2. Tên nhóm: 08
Họ và tên thành viên: Nguyễn Mạnh Cường
2019601283
Ngô Thị Thảo
2019603806
Nguyễn Thị Huyền

2019604225
II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ như hình 1.
Trong đó: M1 và M2 là khối lượng của hai xe. Hai xe liên kết với nhau bằng lò xo. Bỏ
qua ma sát bánh xe với mặt đường. Các thông số của hệ thống như sau:
- Khối lượng vật 1: 1 kg
- Khối lượng vật 2: 1 k g
- Độ cứng lò xo: 0.05 N/m
- Tốc độ đặt: 10m/s

Hình 1

2. Yêu cầu :
- Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng về hệ thống điều khiển tốc độ
- Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ ta hệ
thống cơ.
- xây dựng biểu đồ bond graph và quan hệ nhân quả của biểu đồ bond
graph.
- Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hệ thống bằng phần mềm 20-sim.

1


3. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)
- Nội dung 2: Xây dựng mơ hình và mơ phỏng hệ thống (L1.1; L1.2)
- Nội dung 3: Viết báo cáo
4. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch.
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

KHOA/TRUNG TÂM

TS. Phan Đình Hiếu

TS.Nguyễn Anh Tú

2


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay tự động hóa đã trở thành một vấn đề thiết yếu trong ngành công
nghiệp. Để thiết kế các mơ hình tự động hóa trong nhà máy cơng nghiệp thì
người thiết kế cần nắm được các kiến thức về Lý thuyết điều khiển tự động-bộ
môn cơ bản của ngành tự động hóa. Một trong các kỹ năng mà người học cần
phải có sau khi học xong mơn này là nhận dạng các hệ thống điều khiển và biết
cách ổn định các mơ hình điều khiển khi mơ hình điều khiển khơng ở trạng thái
ổn định.
Trong mơi trường cơng nghiệp hiện đại ngày nay, bài tốn điều khiển vận
tốc động cơ được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí nói riêng và cơng nghiệp
nói chung.
Được sự phân cơng và hướng dẫn của thầy giáo Phan Đình Hiếu, nhóm em
có thực hiện bài tập lớn mơn Mơ hình hóa và mơ phỏng, làm phân tích vật lí và
mơ phỏng, đánh giá hệ thống bằng phần mềm 20-sim của hệ thống điều khiển
tốc độ.
Em xin chân thành cảm ơn thầy cơ và các bạn đã giúp em hồn thành bài tập
lớn này và mong mọi người xem giúp em bài tập lớn nhóm em các lỗi mắc phải
trong đồ án, và hy vọng các bạn, thầy cơ góp ý kiến cho nhóm em để em có thể
chỉnh sửa đồ án được hoàn thiện hơn!
Em xin chân thành cảm ơn!

3


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU ................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. ........................................................................................6
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ. ...................................................................6
1.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống. ........................................................................6
1.3 Giới thiệu chung bộ điều khiển(vi xử lý) ............................................................... 6
1.4 Giới thiệu chung về cảm biến đo vận tốc ............................................................... 7
1.5 Liên hệ thực tế. .......................................................................................................7
CHƯƠNG 2: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT
PHƯƠNG TRÌNH MƠ TA HỆ THỐNG CƠ. .......................................................... 12
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ QUAN HỆ NHÂN
QUẢ CỦA BIỂU ĐỒ BOND GRAPH. ......................................................................16
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG
BẰNG PHẦN MỀM 20-SIM. .....................................................................................19
4.1 Mơ phỏng và đánh giá hệ thống hở ......................................................................19
4.2 Mô phỏng và đánh giá hệ thống kín gồm hệ cơ và bộ điều khiển PID ................21
4.2.1 Bộ điều khiển PID .........................................................................................21
4.2.2 Mô phỏng và đánh giá hệ thống kín .............................................................. 24
KẾT LUẬN ..................................................................................................................28
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 29

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cảm biến đo vận tốc .........................................................................................7

Hình 1.2 Tủ lạnh ..............................................................................................................8
Hình 1.3 Máy CNC..........................................................................................................8
Hình 1.4 Robot trong robocon .........................................................................................9
Hình 1.5 Cần trục.............................................................................................................9
Hình 1.6 Cánh tay robot ................................................................................................ 10
Hình 1.7 Robot lắp ráp ơ tơ ........................................................................................... 11
Hình 2.1 Cơ cấu hệ thống. ............................................................................................. 12
Hình 3.1 Xây dựng bond graph bước 1 .........................................................................16
Hình 3.2 Xây dựng bond graph bước 2 .........................................................................16
Hình 3.3 Xây dựng bond graph bước 3 .........................................................................17
Hình 3.4 Xây dựng bond graph bước 4 .........................................................................17
Hình 3.5 Xây dựng bond graph bước 5 .........................................................................18
Hình 4.1 Cơ cấu hệ thống .............................................................................................. 19
Hình 4.2 Mơ phỏng hệ thống hở trên phần mềm 20-Sim ..............................................19
Hình 4.3 Thơng số cơ bản của hệ thống hở ...................................................................19
Hình 4.4 Đồ thị mơ tả sự dao động vận tốc của M2 khi hệ thống hở ........................... 20
Hình 4.5 Mơ phỏng hệ thống kín được điều khiển bởi bộ điều khiển PID trên phần
mềm 20-Sim ..................................................................................................................24
Hình 4.6 Thơng số cơ bản ban đầu của hệ kín .............................................................. 24
Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn tốc độ của vật M2 khi được điều khiển bởi PID ................25
Hình 4.8 Mơ phỏng hệ thống kín dùng thêm giảm chấn trên phần mềm 20-Sim .........26
Hình 4.9 Thơng số của hệ kín khi thêm giảm chấn .......................................................26
Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn tốc độ của M2 khi thêm giảm chấn và được điều khiển bởi
PID .................................................................................................................................27

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ.

Lĩnh vực điều khiển tự động ngày nay càng phát triển. Đặc biệt là điều
khiển chính xác, đã trở thành một phần không thể thiếu trong ngành trong công
nghiệp hiện đại. Phàn lớn các thiết bị máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công
nghiệp sử dụng động cơ điện. Từ đọng cơ điện trong các máy công cụ, máy
CNC, cánh tay robot,… đến trong những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều
hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy tính. Những thiết bị như vậy yêu cầu độ
chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kì bảo dưỡng dài. Một trong
những yêu cầu được đáp ứng để đạt những chỉ tiêu trên đây là điều khiển tốc độ
một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi
trạng thái.
1.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống.

Hệ thống bao gồm: cảm biến tốc độ, một bộ điều khiển trung tâm.
Nguyên lí: Cảm biến tốc độ đo được tốc độ hiện tại của hệ thống, khi
muốn thay đổi tốc độ của hệ thống, thì bộ điều khiển trung tâm sẽ tính tốn và
tăng hoặc giảm để đạt được giá trị mong muốn. sau đó bộ điều khiển trung tâm
sẽ tác động vào bộ vận hành (motor) quay nhanh, chậm theo tốc độ mong muốn.
1.3 Giới thiệu chung bộ điều khiển(vi xử lý)

PID được tạo thành từ cụm từ tiếng Anh đầy đủ là Proportional Integral
Derivative. Đây là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển trong các hệ thống điều
khiển công nghiệp mà hiện nay được sử dụng rất rộng rãi. Bộ điều khiển này
được đưa vào sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vịng kín hay
các hệ thống có tín hiệu phản hồi.
Bộ điều khiển PID sẽ giúp các máy cơng nghệ tính tốn ra các giá trị sai số
là hiệu số giữa các giá trị đo thông số về biển đối và giá trị đặt theo mong muốn
của người thiết kế, người dùng. Thông qua các điều chỉnh giá trị điều khiển đầu
mà mà nhờ đó hệ thống điều khiển khi thực hiện sẽ giảm được tối đa những sai
số, cho hoạt động chính xác hơn và đạt hiệu quả cao hơn.

6


Để đạt những kết quả tốt nhất, các thông số của PID cần được sử dụng điều
chỉnh theo tính chất của hệ thống nó được gắn vào. Trong trường hợp điều khiển
giống nhau, cần tính tốn đẻ các đặc thù của hệ thống để các thông số của PID
được chuẩn xác và hiệu quả cao nhất khi làm việc.
1.4 Giới thiệu chung về cảm biến đo vận tốc

Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta thường sử dụng các loại cảm biến trong
nhiều ứng dụng khác nhau như bộ cảm biến hồng ngoại được sử dụng để điều khiển
truyền hình từ xa, cảm biến hồng ngoại thụ động được sử dụng cho hệ thống cửa tự
động mở của trung tâm mua sắm và cảm biến LDR dùng cho chiếu sáng ngoài trời,
hoặc hệ thống chiếu sáng đường phố tự bật tắt, cảm biến tốc độ đo tốc độ quay động
cơ, v.v ...

Hình 1.1 Cảm biến đo vận tốc

1.5 Liên hệ thực tế.

•

Tủ lạnh

7


Hình 1.2 Tủ lạnh

Tủ lạnh có bộ điều khiển trung tâm điều khiển nhiệt độ, tốc độ quạt gió,

thời gian quạt gió, thời gian xả tuyết trong các khoang tủ lạnh một cách chính
xác.
• Máy CNC

Hình 1.3 Máy CNC

Máy CNC là máy rất cần thiết và phổ biến trong công nghiệp ngày nay.
Từ máy CNC là đồ mộc, đến máy gia công các chi tiết máy. Máy CNC điều
khiển motor bước chính xác để xác định vị trí cần giá cơng chuẩn nhất dựa vào
điều khiển tốc độ, vịng quay của motor bước.

8


• Robot trong sân chơi Robocon

Hình 1.4 Robot trong robocon

Các robot cũng được lập trình điều điều khiển vận tốc của từng động cơ
sao cho hợp lí. Giúp robot vận hành với hiệu suất cao hiệu quả nhất, đặc biệt là
đưa robot đến vị trí chính xác và nhanh nhất.
• Cần trục trong thi cơng xây dựng

Hình 1.5 Cần trục

Cần trục gồm 3 cơ cấu liên quan đến điều khiện vận tốc Motor. Bộ phận
thứ nhất là phần tời nâng hạ vật liệu, phần này có thể nâng hạ vật liệu nhanh
chậm theo ý muốn người công nhân. Bộ phận thứ hai là cần nâng giúp mang liệu

9

từ cầu trục lại gần hoặc ra xa. Bộ phận thứ 3 là trục quay gắn giữ than tháp và
cần nâng. Chúng tay có thể điều chỉnh được tốc độ quay.
• Cánh tay robot

Hình 1.6 Cánh tay robot

Trong những ngành công nghiệp nặng ngày nay như sản xuất ô tô, đóng
tàu hay các cơng việc nguy hiển như hàn, cắt…Thời đại của các dây chuyền tự
động hóa thì cánh tay robot được xem là sản phẩm cần thiết nhất. Nó có thể hoạt
động chính xác để lắp giáp các linh kiện, xử lí cơng việc trơn tru thơng qua điều
khiển động vận tốc, vị trí động cơ ở các khớp robot.

10


Hình 1.7 Robot lắp ráp ơ tơ

11


CHƯƠNG 2: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LÝ ĐỂ VIẾT
PHƯƠNG TRÌNH MƠ TA HỆ THỐNG CƠ.
Cho cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ của hệ cơ như hình 1. Trong đó:
M1 và M2 là khối lượng của hai xe. Hai xe liên kết với nhau bằng lò xo. Bỏ
qua ma sát bánh xe với mặt đường. Các thông số của hệ thống như sau:
- Khối lượng vật 1: 1 kg
- Khối lượng vật 2: 1 k g
- Độ cứng lị xo: 0.05 N/m

- Tốc độ đặt: 10m/s

x1

x2

Hình 2.1 Cơ cấu hệ thống.

– Các tham số của hệ thống:
x1, x2 – quãng đường di chuyển tương ứng của M1, M2.
F – Lực tác động vào M1 từ hệ thống điều khiển.
– Mô tả các chuyển động của động lực học hai xe M1 và M2, dựa vào định luật của
Newton về chuyển động. Hệ thống cơ khí có hai bậc tự do chuyển động cùa xe M1 và
M2 ở trên trục X. Phân tích sơ đồ của hệ thống, ta có được sơ đồ lực tác động vào xe
như sau

Fk

Fk

P1

P2

12


Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe M1.
– Áp dụng công thức Euler – Lagrange :
1

Động năng: T = ( M1ẋ 12 + M2x22̇ )

(2.1)

2

1

Thế năng: U = K( x1 – x2 )2

(2.2)

2

=> Hàm Lagrange L = T – U
=
=
∂L
∂x1
∂L
∂x1̇
∂L
∂x2
∂L
∂x2̇

1
2
1
2

1
( M1ẋ 12 + M2x22̇ ) – K( x1 – x2 )2
2

( M1ẋ 12 + M2x22̇ – Kx12 + 2Kx1x2 – Kx22 )

= – Kx1 + Kx2 = K( x2 – x1 )
= M1x1̇
= Kx1 – Kx2 = K( x1 – x2 )
= M2x2̇

=> Phương trình Lagrange với tọa độ suy rộng x1 :
d

(

∂L

dt ∂x1̇

=>

)–

d
dt

∂L
∂x1

=F

(2.3)

(M1 𝑥1̇ ) – K( x2 – x1 ) = F

=> M1𝑥1̈ + Kx1 – Kx2 = F
=> 𝑥1̈ =

F− K𝑥1 +K𝑥2
𝑀1

=> Phương trình Lagrange với tọa độ suy rộng x2 :
𝑑

∂L

∂L

𝑑𝑡 ∂𝑥2

∂𝑥2

(

=>

)–
̇

𝑑
𝑑𝑡

=0

(2.4)

(𝑀2 𝑥2̇ ) – K( 𝑥1 – 𝑥2 ) = 0

13


=> M2𝑥2̈ – Kx1 + Kx2 = 0

=> 𝑥2̈ =

𝐾𝑥1 −𝐾𝑥2
𝑀2

• Phân tích tốn học :
Đặt : X1(t) = x1
X2(t) = 𝑥1̇ =>
X3(t) = x2
X4(t) = 𝑥2̇

=>

𝑋1̇(t) = 𝑥1̇ = X2(t)
𝑋2̇(t) = 𝑥1̈

𝑋3̇(t) = 𝑥2̇ = X4(t)
𝑋4̇(t) = 𝑥2̈

𝑋1̇(t)
𝑋2̇(t)

X2
𝐹− 𝐾𝑥1+𝐾𝑥2

=

𝑀1

𝑋3̇(t)

X4

𝑋4̇(t)

𝐾𝑥1−𝐾𝑥2

y

=

𝑀2

x1
x2

=

X1
X3

– Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc (𝑋̅ , 𝑢̅ ) = ( 0 , 0 )

𝑋̃̇(t) = A. 𝑋̃(t) + B. 𝑢̃(t)
𝑦̃(t) = C. 𝑋̃(t) + D. 𝑢̃(t) = H
A=

∂f

=

∂X
(

𝑋̅ , 𝑢̅ )

(2.5)

0 1
−𝐾

𝐾

𝑀1

𝑀1

0

0

𝐾

−𝐾

𝑀2

𝑀2

0

0

0

0

0

1

0

0

14

(2.6)


B =

∂f

=

∂u
(

0

(2.7)

1

𝑋̅ , 𝑢̅ )

𝑀1

0
0

C=

∂H

=

∂X
(

D=

∂H

=

∂u
(

=>

𝑋̅ , 𝑢̅ )

0
=

̃̇
𝑋3
̃̇
𝑋4

=

0

0

0
1

0

(2.8)

0

(2.9)

0

̃̇
𝑋1

𝑦̃

0

0

𝑋̅ , 𝑢̅ )

̃̇
𝑋2

1

1

−𝐾

𝐾

𝑀1

𝑀1

0

0

0

0

̃
𝑋1

0

0

̃ +
𝑋2

0

1

̃
𝑋3

0

0

0

̃
𝑋4

0

𝐾

−𝐾

𝑀2

𝑀2

1

0

0

0

̃
𝑋1

0

0

1

0

̃
𝑋2
̃
𝑋3
̃
𝑋4

15

0
1
𝑀1

.u

0

+

0

.u


CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH VÀ QUAN HỆ
NHÂN QUẢ CỦA BIỂU ĐỒ BOND GRAPH.
Ở bài toán ở trên ta thấy có 2 điểm thay đổi vận tốc là xe M1 và M2 nên ta
có 2 one-junction cho 2 vị trí thay đổi vận tốc đó.
− Xe M1 và M2 được nối với nhau bởi lò xo K.
− 2 xe M1 và M2 có khối lượng bằng nhau và bằng 1.
− Lực F tác động vào xe M1 và tác động lên xe M2 di chuyển.
− Xây dựng bond graph cho hệ thống:
Bước 1: Tại mỗi vị trí có vận tốc khác nhau, ta đặt Junction 1

Hình 3.1 Xây dựng bond graph bước 1

Bước 2: Chèn mỗi phần tử một cổng bằng cách kết nối nó với Junction 0 bằng các
đường liên kết và chèn vào giữa các Junction 0 có liên quan

v1

v2

Hình 3.2 Xây dựng bond graph bước 2

16

Bước 3: Gán chiều công suất tới tất cả các đường liên kết trong sơ đồ

v1

v2

Hình 3.3 Xây dựng bond graph bước 3

Bước 4: Tại các vị trí có vận tốc bằng khơng đã được xác định thì xóa bỏ các
Junction 1 và các đường liên kết với nó

v1

v2

Hình 3.4 Xây dựng bond graph bước 4

17


Bước 5: Tối giản sơ đồ theo nguyên tắc và thêm quan hệ nhân quả

Hình 3.5 Xây dựng bond graph bước 5

18


CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
BẰNG PHẦN MỀM 20-SIM.

Hình 4.1 Cơ cấu hệ thống

4.1 Mơ phỏng và đánh giá hệ thống hở

Hình 4.2 Mơ phỏng hệ thống hở trên phần mềm 20-Sim

-

Thông số của hệ thống hở:

Hình 4.3 Thơng số cơ bản của hệ thống hở

19