Bài tập lớn mô hình hóa và mô phỏng Haui nhóm 14

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
------

MƠN HỌC
MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ
ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

TS. Lê Ngọc Duy

1. Nguyễn Thành Long
2. Đặng Đình Luân
3. Cao Phan Lương

Hà Nội - 2022


(BM01)

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: ………………

Khóa: K15

2. Tên nhóm: 14

3.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 mơ 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 mơ tả hệ treo
- Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ treo và hệ thống điều khiển hệ treo xe bus.
- Mơ 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 cơn 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 mơ 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 20sim.

KHOA/TRUNG TÂM

TS. Nguyễn Anh Tú

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

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 .................. 10

1.1 Tổng quan động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu ................................................... 10
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều ........................................................................... 10
1.1.3 Phân loại động cơ điện 1 chiều ............................................................................... 11
1.1.4 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều .................................................... 11
1.1.5 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều ................................................ 12
1.1.6 Ưu, nhược điểm của động cơ điện 1 chiều ............................................................. 12
1.2 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mô tả động cơ điện một
chiều. ................................................................................................................................ 13
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. ................................................................................................... 15
Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph: ............................................................................ 15
1.4 Mơ 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 .................................................................................. 18
1.4.1 Đánh giá đặc tính góc quay của động cơ ................................................................ 18
1.4.2 Bộ điều khiển P ....................................................................................................... 19
1.4.3 Bộ điều khiển PI...................................................................................................... 21
1.1.4Bộ điều khiển PD ..................................................................................................... 23
1.1.5 Bộ điều khiển PID ................................................................................................... 26
Bài số 2 Hệ thống treo .............................................................................................................. 29
2.1 Tổng quan hệ thống treo xe ô tô..................................................................................... 29
2.1.1 Hệ thống treo xe ơ tơ là gì? ..................................................................................... 29
2.1.2 Cấu tạo của hệ thống treo ô tô ................................................................................ 29
2.1.3 Phân loại hệ thống treo của ơ tơ .............................................................................. 31
2.2 Phân tích vật lý của hệ thống treo của ô tô .................................................................... 33
5


2.3 Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả hệ thống treo ...................................................... 37
2.3.1 Xây dựng biểu đồ Bond Graph trên phần mềm 20-sim .............................................. 37
2.3.2 Thiết kế hệ thống bộ điểu khiển.............................................................................. 38

2.4 Mô Phỏng Và Đánh Giá Đặc Tính Dao Động Của Thân Xe ......................................... 41
2.4.1 Xây dựng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển ....................................................... 41
Bài 3 HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC .................................................................................. 45
3.1 Tổng quan hệ thống con lắc ngược ................................................................................ 45
3.1.1 Giới thiệu về con lắc ngược .................................................................................... 45
3.1.2 Ứng dụng con lắc ngược: ........................................................................................ 45
3.1.3 Các phương pháp điều khiển hệ thống. .................................................................. 46
3.1.4 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng ............................................................................... 46
3.1.5 Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 46
3.2 Xây dựng hàm truyền hệ thống con lắc ngược .............................................................. 47
3.3 Xây dựng sơ đồ Bond-Graph của hệ bằng phần mềm 20-Sim ...................................... 50
3.3.1 Xây dựng bond graph cho con lắc: ......................................................................... 50
3.3.2 Xây dựng bond graph cho động cơ ......................................................................... 53
3.3.3 Xây dựng bộ điều khiển PID. ................................................................................. 56
3.4 Mô phỏng và đánh giá hệ con lắc................................................................................... 58
3.4.1 Mô phỏng hệ con lắc đáp ứng hở. ........................................................................... 58
3.4.2 Mô phỏng hệ con lắc đáp ứng vịng kín .................................................................. 61

6


Danh Mục Hình Ảnh
Hình 1.1. 1:Cấu tạo động cơ điện 1 chiều ................................................................................... 11
Hình 1.1. 2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều .................................................... 11

Hình 1.3. 1 Sơ đồ Bond Graph hệ thống động cơ điện 1 chiều .................................................. 16
Hình 1.3. 2 Sơ đồ Bond Graph đã xác định quan hệ nhân quả ................................................... 17

Hình 1.4. 1: Sơ đồ Bond Graph của hệ thống 18
Hình 1.4. 2: Thiết lập thơng số cho hệ thống .............................................................................. 18

Hình 1.4. 3: Đặc tính góc quay của động cơ ............................................................................... 19
Hình 1.4. 4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P ............ 19
Hình 1.4. 5: Thiết lập thông số hệ thống với bộ điều khiển P..................................................... 20
Hình 1.4. 6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều kiển P với Kp=1 .............................................. 20
Hình 1.4. 7: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PI ........... 21
Hình 1.4. 8: Thiết lập thông số hệ thống với bộ điều khiển PI ................................................... 21
Hình 1.4. 9: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều kiển PI ............................................................. 22
Hình 1.4. 10: Thiết lập thông số cho bộ điều khiển với Ki = 100 ............................................... 22
Hình 1.4. 11: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI khi thay Ki=100 ............................. 23
Hình 1.4. 12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PD ....... 23
Hình 1.4. 13: Thiết lập thơng số ban đầu cho bộ điều khiển PD. ............................................... 24
Hình 1.4. 14: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với thơng số ban đầu ..................... 24
Hình 1.4. 15: Thiết lập thông số cho bộ điều khiển với Kd = 0.85 ............................................. 25
Hình 1.4. 16: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với KD=0.85 ................................. 25
Hình 1.4. 17 Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PID ....... 26
Hình 1.4. 18: Thiết lập thông số ban đầu cho bộ điều khiển PID ............................................... 26
Hình 1.4. 19: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với thông số ban đầu ................... 27
Hình 1.4. 20: Thiết lập thơng số cho bộ điều khiển PID với Kp = 1, Ki = 100, Kd = 0.85.......... 27
Hình 1.4. 21: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID ...................................................... 28

7


Hình 2.3. 1 Biểu đồ bond mơ phỏng trên 20sim ......................................................................... 37
Hình 2.3. 2: Hình minh họa hệ thống điều khiển hồi tiếp ........................................................... 38
Hình 2.3. 3: Hình ảnh minh họa hệ thống điều khiển ................................................................. 39
Hình 2.3. 4: Hệ thống có bộ điều khiển PID ............................................................................... 39

Hình 2.4. 1: Biểu đồ bond của hệ thống ...................................................................................... 41
Hình 2.4. 2: Hình ảnh nhập dữ liệu mơ phỏng trên 20sim .......................................................... 42

Hình 2.4. 3: Dao động của hệ thống khi chưa có bộ điều khiển ................................................. 42
Hình 2.4. 4: Hệ thống treo khi có bộ điều khiển PID.................................................................. 43
Hình 2.4. 5: Đáp ứng hệ thống treo khi Kp=10000; Kd=100; Ki=5 ........................................... 43
Hình 2.4. 6: Đáp ứng hệ thống treo khi thay đổi Kd=5; Ki=100 ................................................ 44
Hình 2.4. 7: Đáp ứng hệ thống treo khi thay đổi Kd=0.2; Ki= 500 ............................................ 44

Hình 3.1. 1 Một số mơ hình con lắc ngược ................................................................................. 45
Hình 3.1. 2 Ứng dụng con lắc ngược trong xe cân bằng............................................................. 46

Hình 3.2. 1 Đặt hệ trục tọa độ cho con lắc .................................................................................. 47

Hình 3.3. 1 Sơ đồ Bond Graph con lắc ....................................................................................... 51
Hình 3.3. 2Thêm quan hệ nhân quả cho sơ đồ Bond Graph con lắc ........................................... 52
Hình 3.3. 3 Mạch điện tổng quát động cơ ................................................................................... 53
Hình 3.3. 4 Sơ đồ Bond Graph động cơ sau khi rút gọn. ............................................................ 54
Hình 3.3. 5 Thêm quan hệ nhân quả cho sơ đồ Bond Graph động cơ. ....................................... 56

Hình 3.4. 1 Sơ đồ Bond Graph sau khi kết nối với động cơ ....................................................... 58
Hình 3.4. 2 Bảng cài đặt thơng số cho hệ .................................................................................... 59
Hình 3.4. 3 Bảng thiết lập biểu đồ............................................................................................... 60
Hình 3.4. 4 Kết quả mơ phỏng hệ đáp ứng hở ............................................................................ 60
8


Hình 3.4. 5 Sơ đồ Bondgraph hệ thống đáp ứng hồi tiếp âm ...................................................... 61
Hình 3.4. 6 Kết quả mơ phỏng hệ đáp ứng vịng kín hồi tiếp âm ............................................... 62
Hình 3.4. 7 Sơ đồ BondGraph của hệ khi thêm bộ điều khiển PID ............................................ 62
Hình 3.4. 8 Kết quả mơ phỏng hệ có PID: Kp=1, Ti=1, Td=1 ................................................... 63
Hình 3.4. 9 Kết quả mơ phỏng hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=1 ............................................. 63
Hình 3.4. 10 Kết quả mơ phỏng hệ có PID: Kp=1000, Ti=1, Td=0.5 ........................................ 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
1.1.1 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 dịng 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.
1.1.2 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 cơng 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.

10


Hình 1.1. 1:Cấu tạo động cơ điện 1 chiều
1.1.3 Phân loại động cơ điện 1 chiều

- Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại:
• Kích từ độc lập.
• Kích từ song song.
• Kích từ nối tiếp.
• Kích từ hỗn hợp.
- Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kết cấu cực từ:
• Động cơ điện một chiều cực từ là nam châm điện.
• Động cơ điện một chiều cực từ là nam châm vĩnh cửu
1.1.4 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều
Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay
nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều.
Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnh lưu, bộ phận
này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông
thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ
góp.

Hình 1.1. 2: Ngun tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều
11


Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngồi thì động cơ này sẽ
hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện động cảm ứng
Electromotive force. Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện
áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối
kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này sẽ tương tự như sức
điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện. Như vậy điện áp đặt
trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện áp giáng tạo ra do điện
trở nội của các cuộn dây phản ứng. Dòng điện chạy qua động cơ sẽ được tính theo cơng
thức sau:

𝐼=

(𝑉𝑁𝑔𝑢ồ𝑛 − 𝑉𝑝ℎ𝑎𝑛 𝑑𝑖𝑒𝑛 𝑑𝑜𝑛𝑔 )
𝑅𝑝ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑛𝑔

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được sẽ tính bằng:

𝑃 = 𝐼. 𝑉𝑝ℎ𝑎𝑛 𝑑𝑖𝑒𝑛 𝑑𝑜𝑛𝑔
1.1.5 Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều
Phương pháp sử dụng điện trở.
- Đây là phương pháp đơn giản nhất được nhiều người áp dụng vì chỉ cần mắc nối
tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, do đó số vịng quay giảm và
tốc độ sẽ chậm lại tương ứng.
Phương pháp điều khiển từ thơng.
- Phương pháp điều chỉnh từ thơng hay cịn được gọi là điều chỉnh sức điện động của
động cơ và momen điện từ. Khi từ thơng giảm thì tốc độ quay của động cơ theo đó sẽ tăng
lên. Tuy nhiên, trên thực tế, thì phương pháp này ít được sử dụng vì khá khó để thực hiện.
Phương pháp điều khiển điện áp phần ứng.
- Điều khiển động cơ điện 1 chiều chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp
cho mạch phần ứng của động cơ hoặc lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của
động cơ. Theo đó, khi thực hiện thay đổi điện áp của phần ứng thì tốc độ quay của động cơ
cũng sẽ bị thay đổi tương ứng.
1.1.6 Ưu, nhược điểm của động cơ điện 1 chiều
Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
+ Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó
12


sẽ kéo được tải nặng khi khởi động.
+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.

+ Tiết kiệm điện năng.
+ Bền bỉ, tuổi thọ lớn.
Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều
+ Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá
trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên.
+ Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất
là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.
+ Giá thành đắt mà công suất không cao.
1.1.7 Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều
Nhờ những ứng dụng của động cơ điện mà việc lắp đặt, vận hành máy móc,... cũng
như các hoạt động liên quan đến các lĩnh vực khác nhau được thực hiện một cách nhanh
chóng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn đáng kể.
Động cơ điện hiện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, phổ biến và thay thế dần
cho những loại động cơ truyền thống. Bởi lẽ, loại động cơ này không chỉ hoạt động bền bỉ,
linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị khác nhau, mà cịn tiết
kiệm năng lượng tiêu thụ đáng kể. Chính vì thế, ứng dụng của loại động cơ này cũng trở
nên đa dạng và phổ biến hơn cả.
Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời
sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong
công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong
phạm vi lớn.......
Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này cịn xuất hiện trong các máy vi
tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,...

1.2 Sử dụng phương pháp phân tích vật lý để viết phương trình mơ tả
động cơ điện một chiều.

13

Hình 1 : Mơ hình động cơ điện 1 chiều
Các thơng số:
•
•
•
•
•
•
•

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
Tín hiệu vào là điện áp: V
Tín hiệu ra là góc quay: 𝜃

Mơ hình hóa hệ thống bằng hàm truyền
- Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:
J.𝜃̈ + b.𝜃̇ = Ki

(1)

- Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:
L.

𝑑𝑖
𝑑𝑡

+ Ri = V - K. 𝜃̇

(2)

- Biến đổi Laplace:
s.(J.s +b). 𝜃(𝑠) = K.I(s)

(3)

(L.s+R).I(s) = V - Ks 𝜃(𝑠)

(4)

- Từ phương trình (3) ta có:
I(s) =

s.(J.s +b).𝜃(𝑠)

(5)

𝐾

- Thế (5) vào (4) và biến đổi ta được:

𝑃(𝑠) =

𝜃̇ (𝑠)
𝑉 (𝑠)

=

𝐾
𝑠.((𝐽.𝑠+𝑏).(𝐿.𝑠+𝑅)+𝐾 2 )

(6)

Chúng ta đi đến hàm truyền vòng hở sau đây bằng cách loại bỏ I(s) giữa hai phương
trình trên, trong đó tốc độ quay được coi là đầu ra và điện áp phần ứng được coi là đầu vào.
Vì hàm bậc 3 suy giảm rất nhanh về dạng hàm bậc 2 nên ta có thể coi hàm truyền của
hệ là

𝑃(𝑠) =

𝜃̇ (𝑠)
𝑉 (𝑠)

𝐾

= (𝐽.𝑠+𝑏).(𝐿.𝑠+𝑅)+𝐾2

(7)

14


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.
Các bước xây dựng biểu đồ Bond Graph:
• Bước 1: Mỗi vị trí trong mạch điện có điện thế khác nhau thì đặt 0-Junctions.

• Bước 2: Chèn mỗi phần tử mạch “Single Port” bằng kết nối nó với 1-Junctions
bằng đường Power bond.

• Bước 3: Gắn chiều cơng suất với tất cả các bond trong mơ hình.

15


• Bước 4: Nếu vị trí có thế đất đã được xây dựng thì xóa bỏ 0-Junctions tại đó và
tất cả các bond nối với nó.

• Bước 5: Đơn giản hóa các Bonds theo các ngun tắc.

Hình 1.3. 1 Sơ đồ Bond Graph hệ thống động cơ điện 1 chiều
16


Thiết lập quan hệ nhân quả:
Quy tắc:
• Phần tử Se: Causual ở gần 1 Juntion và 0 Juntion
• Phần tử I: Causual ở xa 1 Juntion và 0 Juntion
• Phần tử C: Causual ở gần 1 Juntion và 0 juntion
• Tại 0 Juntion chỉ có 1 phần tử Causual ở gần
• Tại 1 Juntion chỉ có 1 phần tử Causual ở xa
• Cuối cùng xác định Causual của R.

Hình 1.3. 2 Sơ đồ Bond Graph đã xác định quan hệ nhân quả

17

1.4 Mơ 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

Hình 1.4. 1: Sơ đồ Bond Graph của hệ thống

Hình 1.4. 2: Thiết lập thơng số cho hệ thống
- Thiết lập điện áp đầu vào cho hệ thống là V=24v

18


Hình 1.4. 3: Đặc tính góc quay của động cơ
Nhận xét: Ta thấy trong khoảng 0,6 s đầu góc quay của động cơ tăng khá chậm
nhưng sau đó góc quay tăng đều và đường đặc tính góc quay gần như là một đường thẳng.
1.4.2 Bộ điều khiển P

Hình 1.4. 4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P

19


Hình 1.4. 5: Thiết lập thơng số hệ thống với bộ điều khiển P
- Thiết lập hệ số Kp=1.

Hình 1.4. 6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều kiển P với Kp=1
Nhận xét: Sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ với thông số ban đầu. Ta thấy sai số xác lập
nhỏ, thời gian lên nhỏ (t <1s) nhưng đáp ứng quá độ lớn (khoảng 7s)

20


1.4.3 Bộ điều khiển PI

Hình 1.4. 7: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển
PI

Hình 1.4. 8: Thiết lập thơng số hệ thống với bộ điều khiển PI

21


Hình 1.4. 9: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều kiển PI
Nhận xét: Sử dụng bộ điều khiển PI với thông số ban đầu Kp=Ki=1 ta thấy độ vọt lố
và thời gian xác lập lớn
Tăng hệ số Ki = 100

Hình 1.4. 10: Thiết lập thơng số cho bộ điều khiển với Ki = 100

22


Hình 1.4. 11: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI khi thay Ki=100
Tăng hệ số Ki = 100 : độ vọt lố và thời gian xác lập giảm đáng kể nhưng so với khi
sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ thì khơng có sự ảnh hưởng gì đến hệ thống
=> khâu tích phân khơng ảnh hưởng nhiều đến hệ thống
1.1.4Bộ điều khiển PD

Hình 1.4. 12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển

PD

23


Hình 1.4. 13: Thiết lập thơng số ban đầu cho bộ điều khiển PD.

Hình 1.4. 14: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với thông số ban đầu
Bộ điều khiển PD với thông số ban đầu Kp=Kd=1: khơng có độ vọt lố nhưng thời
gian xác lập cịn lớn
- Giảm hệ số Kd = 0.85

24