Báo cáo bài tập lớn môn hệ thống cơ điện tử

Tên SV: Trần Ngọc Tứ
Nguyễn Hữu Lực
Bùi Xuân Lộc
Ngô Văn Trường
GVHD: TS. Trần Ngô Quốc Huy

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


1. MƠ HÌNH HĨA
1.1. Dựa vào định luật Kirchhoff đối với mạch điện
phần ứng và định luật Newton đối với chuyển động
quay của trục động cơ, hãy thiết lập sự mối quan hệ
giữa đầu ra là vận tốc góc (𝝎)của trục động cơ khi có
điện áp bên ngồi Vt đặt vào mạch điện.
Ø Theo Kirchhoff :
𝑉% = 𝑅' . 𝑖' + 𝐿' .

*+,
*%

+𝐸'

Với 𝐸' = K.Φ.𝜔
Ø Theo Newton :
𝑇+0 = J.

*1

*2

+ f.𝜔 + 𝑀%

Với 𝑇+0 = K.Φ. 𝑖'
1.2. Thực hiện biến đổi Laplace cho mơ hình động cơ DC,
vẽ sơ đồ khối và biểu diễn bằng sơ đồ hàm truyền ở dạng
H(s) =

𝝎(𝒔)
𝑽𝒕 (𝒔)

. Lưu ý hàm truyền H(s) được thực hiện khi

khơng có tải 𝑻𝒍𝒐𝒂𝒅 .
Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


ð Biến đổi Laplace các pt trên ta có:
V(s) = 𝑅' . 𝐼' (𝑠) + 𝐿' (s). 𝐼' (s) + 𝐸' (s)

(1)

𝑇+0 (s)= J(s).ῼ(s) + f.ῼ(s) + 𝑀% (s) = 𝐾B .𝐼' (s)

(2)

Với ῼ(s) là biến đổi Laplace của 𝜔(t).
Đặt 𝑇' =

C,
D,

là hằng số thời gian điện từ của động cơ

F

Đặt 𝑇E = là hằng số thời gian điện cơ của động cơ
G

Từ (1) và (2) suy ra:
𝐼' (𝑠)=

H2 (I)JK, (I)

ῼ(s) =

NOP (I)JQ2 (I)

D, (LMN, .I)
G(LMNR .I)

(3)

Đặt G1= km* Φ ; G2=ke* Φ
Từ (1), (2) và (3) ta có sơ đồ khối động cơ DC:

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử

ð Hàm truyền :
H(s) =

𝜔(𝑠)
H2 (I)

=

SL∗SU∗SV∗SW∗SX∗SY
LMSL∗SU∗SV∗SW∗SX∗SY

1.3. Khảo sát đặc tính động học của hệ thống

+ Biên độ đỉnh: 1.26 ; độ vọt lố

EZ'[JE[\
E[\

∗ 100% =27.9 % ;

tại 0.0503 s
+ Thời gian quá độ (settling): 0.156 s
+ Thời gian tăng ( rise time): 0.021 s
2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Sơ đồ khối mơ tả q trình điều khiển động cơ điện (Hình 2).
Biết rằng:
Báo cáo bài tập lớn mơn Hệ thống cơ điện tử


• 𝑷𝒚 là nhiễu đầu ra.

• 𝑷𝒃 là nhiễu tần số cao sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của
bộ điều khiển.
• 𝑹(𝒔) là đầu vào tham chiếu, ở đây là vận tốc mong muốn
của động cơ, 𝝎𝒓𝒆𝒇 = 150 [rad/s]

Hình 2
Với bộ điều khiển Pid có dạng:

Trong đó: K: độ lợi, 𝑻𝒊 : hằng số tích phân, 𝑻𝒅 : hằng số đạo hàm
2.1. Trường hợp 1: Động cơ hoạt động ở chế độ không tải
Với mô-men tải, 𝑻𝒍𝒐𝒂𝒅 =0, các nhiễu 𝑷𝒚 = 0, 𝑷𝒃 = 0
2.1.1. Thử bộ điều khiển với duy nhất độ lợi K.
K=1
Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


K=10

K=100

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


Nhận xét: Khi K tăng thì sai số xác lập giảm đi, thời gian xác lập tăng
Khi K lớn thì hệ số dao động mạnh, độ vọt lố lớn.
2.1.2. Thêm vào khâu tích phân và chọn giá trị 𝑻𝒊 sao cho hệ thống
đạt được sai số nhỏ nhất có thể.
𝑻𝒊 = 0.01

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử

Nhận xét
2.1.3 Thêm vào khâu đạo hàm. Thay đổi giá trị 𝑻𝒅 của khâu đạo hàm.
𝑻𝒅 =10

𝑻𝒅 =25

𝑻𝒅 = 40

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


Nhận xét: Khi Tj tăng thì hệ số dao động giảm đồng thời độ vọt lố sẽ giảm
theo
2.1.4. Từ các thông số của bộ điều khiển đã chọn. Kiểm tra sự ổn
định của hệ thống trên bằng biểu đồ Nyquist (nếu hệ khơng ổn định
thì chọn lại các tham số của bộ điều khiển)

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


Nhận xét: Ta thấy biểu đồ không bao điểm (0,-1) =>hệ thống ổn định
2.2. Trường hợp 2: Động cơ hoạt động ở chế độ có tải
Với mơ-men tải, 𝑻𝒍𝒐𝒂𝒅 = 1000[N.m] xuất hiện ở giây thứ 5 của q trình
mơ phỏng. Các nhiễu 𝑷𝒚 =0, 𝑷𝒃 =0
2.2.1. So sánh kết quả của bộ điều khiển khi động cơ hoạt động ở chế độ
khơng tải và có tải

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử

Nhận xét: Khi có Tklmj : Thời gian quá độ tăng, độ vọt lố tăng.
2.2.2. Sử dụng bộ lọc không thấp bậc 1 với hằng số thời gian là 𝑻𝒇
tùy chọn. Thay đổi giá trị 𝑻𝒇 , viết nhận xét.
𝟏
𝑻𝒇 + 𝟏
Chọn giá trị 𝑻𝒇 = 1;5

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


Nhận xét: Tp =1: Thời gian xác lập nhỏ thì thời gian đáp ứng nhanh
Tp =5: Thời gian xác lập lớn thì thời gian đáp ứng chậm

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


Nếu Tp tăng cao hệ sẽ mất ổn định và ngược lại Tp càng thấp thì
độ đáp ứng càng cao.

2.2.3. So sánh kết quả trước và sau khi sử dụng bộ lọc.
- Khi khơng có bộ lọc: có độ vọt lố
- Khi có bộ lọc: khơng có độ vọt lố

3. KIỂM TRA TÍNH BỀN VỮNG CỦA HỆ THỐNG
3.1. Xác định ràng buộc cho bộ điều khiển (C(s)) để giảm ảnh
hưởng của nhiễu trắng ( white noise) ảnh hưởng đến đầu ra
của bộ điều khiển (Vt). Biết rằng |Pb|=3, thời gian lấy mẫu
Ts=0.5[s].

3.2. Từ bộ điều khiển đã chọn ở câu 2, xác định độ bền vững của
hệ thống, bao gồm 2 tiêu chí: độ dự trữ mơ-đun, MM ≥ 0.5 và
độ dự trữ pha, φM ≥ 45o

3.3. Nếu không thõa mãn 2 điều kiện: MM ≥ 0.5 và φM ≥ 45o,
hãy cho lại thông số của C(s).

Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử


Báo cáo bài tập lớn môn Hệ thống cơ điện tử