Bài tập lớn Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.72 MB, 32 trang )

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

BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC
MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG

Giáo viên hướng dẫn: TS. Phan Đình Hiếu
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Anh

2018603336

Giáp Hải Bình

2018604533

Nguyễn Trọng Vũ

2018602588

Hà Nội-2020

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

BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC
MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG

Giáo viên hướng dẫn: TS. Phan Đình Hiếu
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Anh

2018603336

Giáp Hải Bình

2018604533

Nguyễn Trọng Vũ

2018602588

Hà Nội-2020

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................

............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Hà Nội, ngày tháng

năm 2020

Giáo viên hướng dẫn

ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU...........9

1.5

CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU..............................10

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÍ.................................................11
2.1

PHÂN TÍCH MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.............11

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH...........................13
3.1

XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH...................................................13

3.2

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN................................................................14

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TRÊN PHẦN
MỀM 20-SIM
4.1
MỘT CHIỀU

4.2

17

MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
17
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...........................19

4.2.1

Bộ điều khiển P........................................................................19

4.2.2

Bộ điều khiển PI......................................................................23

4.2.3

Bộ điều khiển PD.....................................................................25

4.2.4

Bộ điều khiển PID...................................................................28

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều......................................................8
Hình 1.2: Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều.....................................9
Hình 2.1: Mơ hình động cơ điện một chiều.....................................................11
Hình 3.1: Biểu đồ Bond Graph của động cơ DC nam châm vĩnh cửu.............13
Hình 3.2: Chiều effort và flow trong hệ thống................................................14
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp( feedback control).....................15
Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ..............................15
Hình 3.5: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều

khiển PID................................................................................................................16
Hình 4.1 Dịng điện phần ứng và momen đầu ra so với thời gian...................18
Hình 4.2: Suất điện động và vận tốc góc so với thời gian...............................18
Hình 4.3 Sự phân bố tổng momen quay giữa phần tử quán tính và phần tử ma
sát............................................................................................................................ 19
Hình 4.4: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều
khiển P..................................................................................................................... 20
Hình 4.5: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển P..................................20
Hình 4.6: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với thơng số ban đầu.. .21
Hình 4.7 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=10.............21
Hình 4.8 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=100...........22
Hình 4.9: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=1000........22
Hình 4.10: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều
khiển PI...................................................................................................................23
Hình 4.11 Thơng số mơ phỏng ban đầu bộ điều khiển PI................................24
Hình 4.12: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với thông số ban đầu.
................................................................................................................................. 24
Hình 4.13: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI khi thay KI=10.........25
Hình 4.14: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều
khiển PD.................................................................................................................. 26

Hình 4.15: Thơng số mơ phỏng ban đầu bộ điều khiển PD.............................26
Hình 4.16: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với thơng số ban đầu
................................................................................................................................. 27
Hình 4.17: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PD với KD=10..............27
Hình 4.18: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều
khiển PID................................................................................................................28
Hình 4.19: Thơng số mơ phỏng ban đầu bộ điều khiển PID...........................29
Hình 4.20: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID với thơng số ban đầu.

................................................................................................................................. 29
Hình 4.21: Thay đổi Kp=10............................................................................30
Hình 4.22: Đáp ứng của hệ thống đạt được khi các tham số được hiệu chỉnh30

LỜI MỞ ĐẦU
Trong q trình sản xuất cơng nghiệp như hiện nay, các sản phẩm cơ điện tử từ
chỗ là sản phẩm cơ khí, tự động hóa cứng đã được cải tiến, thiết kế mới thành các sản
phẩm tích hợp. Các mạch điện tử đã thay thế một phần chức năng của hệ cơ khí làm
cho các bộ phận cơ khí nhỏ gọn và đơn giản hơn, đồng thời đảm đương chức năng
thực hiện chương trình hóa. Thế hệ các máy móc cồng kềnh đã được thay thế bằng
thiết bị nhỏ gọn, tin cậy hơn nhờ các thành tựu mới trong lĩnh vực điện- điện tử và từ
đó tác động trở lại quá trình thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ khí.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học cơng nghệ về điều khiển, tự
động hố, điện tử và kỹ thuật máy tính cùng với những ứng dụng rộng rãi vào việc
thiết kế và chế tạo sản phẩm, khái niệm Cơ điện tử tiếp tục phát triển sau này và có
nhiều các định nghĩa khác nhau. Nhưng chung quy lại hệ thống cơ điện tử là để sản
phẩm có thể hoạt động một cách dễ dàng, thuận lợi với yêu cầu của hệ thống đề ra.
Trong bài báo cáo này sẽ làm rõ về hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một
chiều nam châm vĩnh cửu bằng cách phân tích vật lí hệ thống đem ra phương trình mơ
tả hệ thống, biểu đồ Bond Graph và xây dựng mơ hình hóa hệ thống mơ phỏng, đánh
giá trên phần mềm 20-sim.

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ
ĐIỆN MỘT 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 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.
1.2

Cấu tạo và phân loại động cơ điện 1 chiều
Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:


Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện



Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện



Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp



Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện
cho các cuộn dây trên rotor. Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng
với số cuộn dây trên rotor.

Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

1.3

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. thơng thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ
chổi than tiếp xúc với cổ góp.

Hình 1.2: Ngun tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều
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. Dịng điện chạy qua động cơ
sẽ được tính theo cơng thức sau:

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

1.4

Ưu, nhược điểm và ứng dụng 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
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.
1.5

Các ứng dụng của động cơ điện một 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 khơng chỉ hoạt
động bền bỉ, linh hoạt, có thể lắp đặt và vận hành cho nhiều loại máy móc, thiết bị
khác nhau, mà còn 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 thơng 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,...

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
VẬT LÍ
2.1

Phân tích mơ hình hệ thống động cơ điện một chiều

Hình 2.3: Mơ hình động cơ điện một chiều

Các thơng số:
- Mơ Men qn tính khối của rotor: J = 0.1
- Hệ số cản b = 6.6Nms/rad
- Hệ số momen K= 0.3
- Điện trở phần ứng R: 0.8
- Điện cảm phần ứng L: 1. H
- Tín hiệu vào là điện áp: V
- Tín hiệu ra là tốc độ:
Mơ hình hóa hệ thống bằng hàm truyền và phương trình khơng gian trạng
thái:
- Áp dụng định luật II Niuton cho phần cơ ta có phương trình:
J. + b. = Ki
(1)
- Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có:
L. + Ri = V - K.
(2)
- Biến đổi Laplace:

s.(J.s +b). = K.I(s)
(3)
(L.s+R).I(s) = V - Ks
(4)
Từ phương trình (3) ta có:

I(s) =

(5)

Thế (5) vào (4) và biến đổi ta được:
(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
(7)
Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái:
Ta có thể chọn tốc độ quay và dòng điện là các biến trạng thái. Điện áp là đầu
vào, đầu ra là tốc độ quay.
Từ phương trình (1) và (2) ta có:

=-. +.I

(8)

=-.-i+

(9)

Vậy ta có phương trình không gian trạng thái

= +v
y=

= +
y=

(10)

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ BOND GRAPH
3.1

Xây dựng biểu đồ Bond Graph

Hình 3.4: Biểu đồ Bond Graph của động cơ DC nam châm vĩnh cửu

Trong đó:
- Se: Điện áp đặt
- I(L) : Phần tử cảm kháng của cuộn cảm phần ứng
- R(R): Phần tử trở kháng của điện trở phần ứng
- GY (Gyrator Element) : Con quay hồi chuyển
- I(J) : Phần tử cảm kháng của momen quán tính
- R(b) : Phần tử trở kháng (ma sát)
Xây dựng biểu đồ Bond Graph mô tả động cơ điện một chiều và hệ thống điều
khiển động cơ điện một chiều.
Biểu đồ Bond Graph có hai phía. Một bên là phần tử điện bao gồm điện áp đặt

vào, điện trở phần ứng và điện cảm phần ứng. Bên còn lại chứa các thành phần quán
tính và ma sát quay.

Ta có, mạch phần ứng của động cơ điện một chiều được đặt một điện áp V. Vì
vậy, ta sẽ có phần tử nguồn e (sourse effort) – Se được kết nối với Bond Graph. Sau
đó, Se chia sẻ cùng dòng (flow) tới hai thành phần L (Điện cảm phần ứng) và (Điện
trở phần ứng). Do đó, liên kết 1 (Junction 1) được dùng để kết nối hai thành phần trên
với nguồn e.
Thêm vào đó, phần tử GY (Gyrator Element) được sử dụng như là một liên kết
giữa một bên là phần tử điện và bên còn lại là phần tử cơ khí.
Phần tử GY mơ tả mối quan hệ giữa tốc độ góc của động cơ ( M) với suất điện
động (VM) (mechanical flow and electrical effort) và dòng điện (IM) với mô men quay
(TM) (electrical flow and mechanical effort).
Bên phía cơ khí, do tải bên trong bao gồm qn tính và ma sát quay. Do đó, hai
thành phần này được liên kết với GY thông qua liên kết 1 (Junction 1).
Tiếp theo, ta xác định chiều của effort và flow trong hệ thống:

Hình 3.5: Chiều effort và flow trong hệ thống.
Trong đó:
- f1=f2=f3=f4 : Dịng điện phần ứng trong động cơ
- e1 : Điện áp đặt
- e2 : Điện áp trên cuộn cảm
- e3 : Điện áp trên điện trở
- e4 : Suất điện động trong động cơ
- f5=f6=f7: Tốc độ góc của động cơ
- e5 : Momen quay của trục động cơ
- e6 : Momen quán tính của động cơ

- e7 : Momen cản của ma sát
3.2

Xây dựng bộ điều khiển
Điều khiển trạng thái của hệ thống rất quan trọng trong hệ thống thực tế. Một hệ

thống dù được thiết kế tốt như thế nào thì phản hồi (feedback) của nó hay đầu ra của
hệ thống (output) khơng hồn tồn chính xác với giá trị mong muốn. Bên cạnh đó,
nhiễu từ bên ngồi có thể ảnh hưởng đến hệ thống và trạng thái của nó dẫn đến kết quả
là làm thay đổi giá trị mong muốn. Vì vậy, cần xây dựng một hệ thống điều khiển để
điều chỉnh trạng thái của hệ thống bằng cách thay đổi đầu vào (input). Bộ điều khiển
được sử dụng nhiều nhất là bộ điều khiển phản hồi (feedback control), trong đó đáp
ứng của hệ thống được theo dõi và so sánh với giá trị mong muốn, và sai số (error)
trong phản hồi được sử dụng để thay đổi đầu vào để đạt được kết quả. Đáp ứng của hệ
thống được so sánh với điểm đặt (set point) để đạt được sai số. Tín hiệu sai số được sử
dụng trong thuật toán điều khiển để xác định được đầu vào hệ thống, đáp ứng sẽ được
điều chỉnh để đạt được đầu ra mong muốn.

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp( feedback control)

Trong tất cả thuật toán điều khiển phản hồi, đầu ra thực tế được đưa trở lại hệ
thống điều khiển nên một phép đo sai số (sự khác nhau giữa đầu ra mong muốn và đầu
ra thực tế) được tính toán, và phép đo sai số được sử dụng để thiết lập thay đổi đầu vào
để giảm thiểu sai số. Hơn 90% cách điểu khiển liên quan đến việc sử dụng bộ điểu
khiển PID. PID là viết tắt của proportional (tỷ lệ), integral (tích phân) và derivative (vi
phân). Điều khiển PID thực hiện 3 quá trình điểu khiển khác nhau với hàm sai số
( error function)

Cấu trúc của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nam châm vĩnh

cửu được sử dụng và sơ đồ Bond Graph mô tả hệ thống điều khiển động cơ điện được
thể hiện qua hình dưới đây:

Hình 3.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ.

Hình 3.8: Biểu đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển
PID

Theo sơ đồ trên, ta thấy tín hiệu tốc độ được đưa vào bộ tổng và được so sánh với
giá trị mong muốn (Set_point). Sau đó, tín hiệu sai lệch được đưa vào bộ điều khiển
PID. Bộ điều khiển này xử lý và gửi tín hiệu điều khiển u tác động vào MSe
(Modulated effort source) để điều khiển động cơ.

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
TRÊN PHẦN MỀM 20-SIM
4.1

Mơ phỏng và đánh giá các đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều
Theo tính chất của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu, ta có momen

quay được và suất điện động phần ứng được mơ tả như sau:
T=Kt*I
E=Ke*
Mặt khác
I=(V-E)/R
Trong đó:
- T: Momen quay của động cơ
- I: dòng điện phần ứng
- Kt,Ke: hằng số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ. Kt, Ke cùng giá trị nhưng khác

đơn vị
- E: suất điện động phần ứng
- : tốc độ góc của động cơ
Theo cơng thức ta thấy momen quay tỉ lệ thuận với dòng điện phần ứng. Mô
phỏng dưới đây đã thể hiện mối quan hệ giữa dịng điện phần ứng và momen qn tính
đầu ra.
Tương tự, ta có suất điện động phần ứng cùng tỉ lệ thuận với tốc độ quay.

Hình 4.9 Dịng điện phần ứng và momen đầu ra so với thời gian

Hình 4.10: Suất điện động và vận tốc góc so với thời gian

Tại thời điểm ban đầu suất điện động (emf) phần ứng rất nhỏ, vì vậy dòng điện
phần ứng và momen cao. Khi động cơ chuyển động càng nhanh thì dịng điện và
momen càng giảm.

Hình 4.11 Sự phân bố tổng momen quay giữa phần tử quán tính và phần tử ma sát
Biểu đồ thể hiện tổng momen quán tính đầu ra, phần momen được sử dụng để
làm quay tải. Phần còn lại đực sử dụng để vượt qua ma sát. Ban đầu hầu hết momen
được dùng để gia tốc quán tính, nhưng một khi nó đạt đến tốc độ ổn định momen cần
thiết chỉ là phần để vượt qua ma sát.

4.2

Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều

4.2.1 Bộ điều khiển P
Nếu chúng ta sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ, tín hiệu điều khiển được thể hiện:

Trong đó: error = (đầu ra mong muốn – đầu ra thực tế)

Biểu đồ Bond Graph được thể hiện như sau:

Hình 4.12: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển P.

Hình dưới đây thể hiện các thông số ban đầu được sử dụng trong mô phỏng.
Set_point (tốc độ góc mong muốn) được thiết lập là 10 và giá trị KP được đặt là 1.

Hình 4.13: Thông số mô phỏng ban đầu bộ điều khiển P.

Hình 4.14: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P với thông số ban đầu.
Biểu đồ thể hiện một trong nhưng nhược điểm khi sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ. Có
một sai số xác lập vẫn được duy trì khi hệ thống ổn định. Ta tiếp tục tăng K P. Nếu
KP=10 đáp ứng sẽ thay đổi và được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 4.15 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=10
Đáp ứng của hệ thống đã được cải thiện nhưng vẫn có sai lệch giữa giá trị đặt và
giá trị thực tế. Ta tiếp tục tăng KP đến 100 ta được đồ thị:

Hình 4.16 Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=100.
Có thể thấy sai lệch của hệ thống đã được giảm nhưng đáp ứng của hệ thống đã
có chút dao động, xuất hiện độ vọt lố. Tiếp tục tăng KP=1000:

Hình 4.17: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển P khi thay KP=1000.
Ta thấy sai lệch hệ thống tiếp tục giảm nhưng độ vọt lố tăng và bắt đầu xuất hiện

dao động. Như vậy, bộ điều khiển P có ưu điểm là giảm sai số xác lập. Tuy nhiên khi
KP quá lớp có thể làm hệ thống mất ổn định và khi cân bằng vẫn còn tồn tại sai số.

4.2.2 Bộ điều khiển PI

Hình 4.18: Sơ đồ Bond Graph hệ thống điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển PI

Bộ điều khiển PI biểu trưng cho bộ điều khiển tích phân tỉ lệ. Tín hiệu điều khiển
có thể viết dưới dạng:

Có thể thấy, tín hiệu điều khiển khơng những phụ thuộc sai lệch thực tế mà còn
vào số sai lệch được tích lũy theo thời gian. Hai thơng số trong thuật toán điều khiển
đã được điều chỉnh để hiệu chỉnh tín hiệu điều chỉnh: Kp và Ti. Trong khi, Kp là hằng
số tỉ lệ giống như phần trước, Ti là hằng số tích phân. Đặc trưng của bộ điều khiển tích
phân là có thể loại bỏ được sai lệch. Tuy nhiên, đáp ứng chậm và thiếu ổn định. Nhìn
chung, nó bổ sung cho bộ điều khiển P khá tốt và thường được sử dụng kết hợp với bộ
điều khiển P.

Thông số được sử dụng cho mô phỏng ban đầu được thể hiện trong hình dưới
đây:

Hình 4.19 Thơng số mơ phỏng ban đầu bộ điều khiển PI.
Kết quả mô phỏng đã được biểu diễn trong hình sau. Rõ ràng, đồ thị thể hiện một
đáp ứng tốt hơn bộ điều khiển tỉ lệ. Nếu Kp được tăng tới 10, chúng ta sẽ quan sát
được đáp ứng của đồ thị đã tăng mạnh và đạt đến giá trị đã đặt.

Hình 4.20: Đáp ứng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI với thông số ban đầu.

Bài tập lớn Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống động cơ điện 1 chiều nam châm vĩnh cửu

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về