Bài giảng Cơ sở tự động học - Chương V: Mô hình hoá các hệ thống vật lý - Phạm Văn Tấn

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở tự động học - Chương V: Mô hình hoá các hệ thống vật lý - Phạm Văn Tấn

1. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn Chương V: MÔ HÌNH HOÁ CÁC HỆ THỐNG VẬT LÝ • ĐẠI CƯƠNG. • PHƯƠNG TRÌNH CỦA CÁC HỆ THỐNG CƠ KHÍ. Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.1
2. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn I) ĐẠI CƯƠNG. Một trong những công việc quan trọng nhất trong việc phân giải và thiết kế các hệ tự kiểm là mô hình hóa hệ thống. Ở những chương trước, ta đã đưa vào một số phương pháp mô hình hóa hệ thống thông dụng. Hai phương pháp chung nhất là hàm chuyển và phương trình trạng thái. Phương pháp hàm chuyển chỉ có giá trị đối với các hệ tuyến tính, không đổi theo thời gian. Trong khi các phương trình trạng thái, là những phương trình vi phân cấp một có thể dùng mô tả các hệ tuyến tính và cả phi tuyến. Vì trong thực tế, tất cả các hệ vật lý đều phi tuyến trong một vài phạm vi hoạt động. Nên để có thể sử dụng hàm chuyển chuyển và các phương trình trạng thái tuyến tính, hệ thống phải được tuyến tính hoá, hoặc là hoạt động của nó phải được hạn chế trong vùng tuyến tính. Dù sự phân giải và thiết kế các hệ điều khiển tuyến tính đã được phát triển tốt, nhưng bản sao của nó cho các hệ phi tuyến thì thường rất phức tạp. Kỹ thuật điều khiển thường phải xác định không chỉ việc làm sao để mô tả chính xác hệ thống một cách toán học, mà còn phải, quan trọng hơn, làm sao để đặt các giả thuyết đúng, và phép tính xấp xỉ (nếu cần thiết) sao cho hệ thống có thể được đặc trưng hóa một cách tương xứng bởi một mô hình toán học tuyến tính. Thật quan trọng để thấy rằng, kỹ thuật điều khiển hiện đại phải dựa trên sự mô hình hoá hệ thống sao cho vấn đề phân giải và thiết kế có thể phù hợp với các lời giải nhờ máy tính. Như vậy, chủ đích của chương này là: - Để chứng tỏ sự mô hình hoá toán học của các hệ thông điều khiển và các bộ phận. - Để chứng tỏ bằng cách nào sự mô hình hoá sẽ dẫn đến các lời giải trên máy tính. II. PHƯƠNG TRÌNH CỦA CÁC MẠCH ĐIỆN. Phương pháp cổ điển để viết các phương trình của mạch điện được đặt trên cơ sở hai định luật về nút và vòng của kirchhoff. Tuy hai định luật này thì đơn giản nhưng các phương trình kết quả thì không tự nhiên đối với máy tính. Một phương pháp mới để viết các phương trình mạch điện là phương pháp biến trạng thái. Vì các mạch điện trong phần lớn các hệ tự kiểm thì không phức tạp lắm, ta sẽ trình bày ở đây chỉ ở mức độ giới thiệu. Những lý giải chi tiết về các phương trình trạng thái cho mạch điện có thể tìm ở các giáo trình lý thuyết mạch. + R L i(t) + e(t) C ec(t) - - H.5_1. Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.2
3. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn Xem mạch RLC như hình H.5_1. Phương cách thực hành là xem dòng điện trong cuộn cảm L và điện thế ngang qua tụ C là các biến trạng thái (tức i(t) và ec(t)). Lý do của sự chọn lựa này là vì các biến trạng thái thì liên hệ trực tiếp với bộ phận tích trữ năng lượng của một hệ thống. Trong trường hợp này, cuộn cảm tích trữ động năng và tụ tích trữ thế năng. Bằng cách chọn i(t) và ec(t) là các biến trạng thái, ta có một sự mô tả hoàn toàn về quá khứ (tức trị giá đầu của chúng) hiện tại và trạng thái tương lai của mạch. Ta có: de() t Dòng điện trong tụ C : C c = ()ti (5.1) dt di() t Điện thế ngang qua L : L = −e()()() t − Ri t + e t (5.2) dt c Các phương trình trạng thái dưới dạng ma trận, được viết: ⎡de t)( ⎤ ⎡ 1 ⎤ c 0 ⎡ 0 ⎤ ⎢ dt ⎥ ⎢ C ⎥ ⎡ec t)( ⎤ ⎢ ⎥ = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ + ⎢ 1 ⎥e t)( (5.3) di t)( −1 − R ti )( ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎣⎢ L⎦⎥ ⎣ dt ⎦ ⎣ L L ⎦ Thí dụ5_1 : Xem mạch điện như hình H.5_2. L + R L1 2 i1(t) i2(t) e(t) + C -ec(t) R2 - H.5_2 Điện thế ngang qua tụ ec(t), các dòng điện trong các cuộn cảm i1(t) và i2(t) được xem như là các biến số trạng thái. Các phương trình trạng thái có được bằng cách viết điện thế ngang qua các cuộn cảm và dòng trong tụ. di t)( L 1 = −R i()()() t − e t + e t (5.4) 1 dt 1 1 c di t)( L 2 = −R i()() t + e t (5.5) 2 dt 2 2 c de t)( C c =i t)( − i t)( (5.6) dt 1 2 Sắp xếp lại các hệ số hằng, các phương trình trạng thái được viết dưới dạng chính tắc như sau: Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.3
4. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn ⎡ − R ⎤ ⎡ di() t ⎤ 1 − 1 ⎢ 1 ⎥ ⎢ 0 ⎥ dt ⎢ L L ⎥ ⎢ ⎥ 1 1 ⎡ i (t) ⎤ ⎡1⎤ ⎢ di() t ⎥ ⎢ − R 1 ⎥ ⎢ 1 ⎥ 1 2 = ⎢ 0 2 ⎥ i (t) + ⎢0⎥ e() t ⎢ ⎥ ⎢ 2 ⎥ ⎢ ⎥ (5.7) ⎢ dt ⎥ ⎢ LL2 2 ⎥ ⎢ ⎥ L1 de ()t ⎢ ⎥ ⎢e (t)⎥ ⎣⎢0⎦⎥ ⎢ c ⎥ 1− 1 ⎣ c ⎦ ⎢ ⎥ ⎢ 0 ⎥ dt ⎢ CC ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ III. MÔ HÌNH HOÁ CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG CƠ. Hầu hết các hệ tự kiểm đều có chứa các bộ phận cơ khí cũng như các bộ phận điện. Trên quan điểm toán học, sự mô tả các bộ phận cơ và điện thì tương đương nhau. Thật vậy, ta có thể chứng minh rằng một bộ phận cơ khí thường là một bản sao của một bộ phận điện tương đương, và ngược lại. Dĩ nhiên, sự tương đương chỉ trên ý nghĩa toán học. Hai hệ thống thì tương đương nhau nếu chúng được diễn tả bằng các phương trình giống nhau. Sự chuyển động của các bộ phận cơ có thể là tịnh tiến, quay hoặc phối hợp cả hai. Các phương trình chỉ ra chuyển động của các hệ cơ thì thường được viết một cách trực tiếp hay gián tiếp từ định luật chuyển động của Newton. 1. Chuyển động tịnh tiến. Chuyển động tịnh tiến được định nghĩa như là một chuyển động dời chổ dọc theo một đường thẳng. Các biến được dùng mô tả chuyển động tịnh tiến là gia tốc, vận tốc và độ dời. Định luật Newton chứng tỏ rằng tổng đại số các lực tác động lên một c th theo một phương đã cho thì bằng tích số của khối lượng của c th và gia tốc của nó theo cùng phương đó. ∑ lực = Ma (5.8) Trong đó: M là khối lượng và a là gia tốc. Trong chuyển động tịnh tiến, các bộ phận sau đây thường được đưa vào: a) Khối lượng. Khối lượng được xem như là một đặc trưng của một bộ phận tích trữ động năng trong chuyển động tịnh tiến. Nó tương đương với cuộn cảm của mạch điện. Nếu W là trọng lượng của c th, thì M được cho bởi: W M = (5.9) g g: Gia tốc trọng trường. Trong hệ thống SI, đơn vị của M là kg, của g là m/s2; của lực là Newton(N). Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.4
5. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn y(t) M f(t) Hình H.5_3: Hệ thống lực- khối lượng. HìnhH. 5_3 mô tả vị trí mà ở đó một lực tác động lên một c th có khối lượng M. Phương trình được viết: d2 y t)( dv t)( f()() t= M a t = M = M (5.10) dt2 dt Trong đó y(t) chỉ độ dời; v(t): vận tốc; a(t): gia tốc. Tất cả được tham chiếu theo hướng của lực áp dụng. b) Lò xo tuyến tính. Một cách tổng quát, là xo được xem như là một bộ phận tích trữ thế năng. Nó tương đương với tụ điện trong các mạch điện. Trong thực tế, lò xo tuyến tính có thể là một lò xo thực sự, hoặc một dây courroir. Dù tất cả các lò xo đều phi tuyến ở vài vùng hoạt động. Nhưng, nếu sự biến dạng của lò xo nhỏ, trạng thái của nó có thể được xấp xỉ hoá (approximated) bằng một hệ thức tuyến tính: f(t)= Ky(t) (5.11) Với K là hằng số lò xo, hoặc hằng số đàn hồi (Stifness) Đơn vị của K: N/m Phương trình (5.11) cho thấy lực tác động lên lò xo thì tỷ lệ trực tiếp với độ dời (độ biến dạng) của lò xo. Mô hình biểu diển một bộ phận lò xo tuyến tính vẽ ở hình H.5_4. y(t) f(t) H.5_4: Hệ thống lực-lò xo. Nếu lò xo có mang trước một sức căng T thì (5.12) sẽ được cải biến thành: f(t)-T= Ky(t) (5.12) 2. Lực ma sát trong chuyển động tịnh tiến. Mỗi khi có sự chuyển động hoặc khuynh hướng chuyển động giữa hai vật, lực ma sát sẽ xuất hiện. Lực ma sát gặp trong các hệ vật lý thường là phi tuyến. Những đặc tính của các loại lực ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc thường phụ thuộc vào các hệ số như là sự phối hợp bề mặt, áp suất giữa các bề mặt, vận tốc tương đối của chúng và những thứ khác, làm cho việc mô Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.5
6. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn tả toán học một cách chính xác lực ma sát thì rất khó. Tuy nhiên, với chủ đích thực hành, lực ma sát có thể chia thành ba loại như sau: Ma sát trượt, ma sát nghĩ và ma sát coulomb. a) Ma sát trượt ( ma sát nhớt-Vicous Friction) Ma sát trượt biểu diễn một lực cản có liên hệ tuyến tính giữa lực tác dụng và vận tốc. Lực ma sát trượt thường được mô hình hoá bằng một dashpot (ống đệm), có ký hiệu như hình H.5_5. y(t) B f(t) Hình H.5_5: Dashpot của ma sát trượt. Phương trình biểu diễn lực ma sát trượt: dy t)( f t)( = B (5.13) dt Trong đó: B là hệ số ma sát trượt. (N/m/sec) Hình H.5_5a, trình bày sự tương quan giữa lực ma sát trượt và vận tốc. b) Ma sát nghĩ (Static Friction). Ma sát nghĩ biểu diễn một lực cản, có khuynh hướng ngăn cản chuyển động lúc vừa bắt đầu (khi chuyển động bắt đầu ma sát nghĩ có trị cực đại bằng ma sát trượt). Ma sát nghĩ được biểu diễn bởi biễu thức: f(t) = ±(Fs)y’=0 (5.14) Trong đó: (Fs)y’ = 0 được định nghĩa như là lực ma sát nghĩ tồn tại chỉ khi vật đứng yên nhưng đang có khuynh hướng chuyển động. Dấu của lực tùy thuộc và chiều chuyển động hoặc chiều ban đầu của vận tốc. Sự tương quan giữa lực và vận tốc vẽ ở hình H.5_5b. Nhớ là một khi chuyển động bắt đầu, lực ma sát nghĩ biến mất, và loại lực ma sát khác xuất hiện. c) Ma sát coulomb. Lực ma sát coulomb là một lực cản, có độ lớn không đổi đối với sự biến thiên của vận tốc. Dấu của lực thì thay đổi khi vận tốc đổi chiều. Phương trình toán học của lực ma sát coulomb: ⎛ dy dy ⎞ f t)( = Fc⎜ ⎟ (5.15) ⎜ ⎟ ⎝ dt dt ⎠ Trong đó Fc là hệ số ma sát coulomb. Sự tương quan giữa lực và vận tốc vẽ ở hình H.5_5c. Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.6
7. f Cơ Sở Tự Động Hf ọc f Phạm Văn Tấn Fc Fs Độ dốc=B y 0 y’ 0 y 0 -Fc -Fs H.5_5a. H.5_5b. H.5_5c. 3. Chuyển động quay. Chuyển động quay của một vật có thể được định nghĩa như là chuyển động của vật quanh một trục cố định. Các biến số thường dùng để mô tả chuyển động quay là moment; gia tốc góc α; vận tốc góc ω; và góc dời θ. Các bộ phạn sau đây thường được đưa vào để mô hình hoá chuyển động quay. a) Quán tính (Inertia). Quán tính J, được xem như là chỉ thị tính chất của một bộ phận tích trữ động năng trong chuyển động quay. Quán tính của vật phụ thuộc vào sự tổng hợp hình học quanh trục quay và khối lượng của nó. J còn gọi là moment quán tính. Thí dụ: quán tính của một dĩa tròn hoặc một trục tròn quay quanh trục hình học là: 1 J= Mr 2 (5.16) 2 Trong đó, M là khối lượng của dĩa hoặc của trục và r là bán kính của chúng. Khi một moment được áp dụng vào một cố thể với quán tính J, như hình H.5_7, thì phương trình moment được viết: dω()() t d2θ t T(x)= T()() x= Jα t J = J (5.17) dt dt 2 J : Kg.m2 ; T :N.m ; θ :radian. T(t) J θ(t) H.5_7: Hệ thống moment _quán tính. b) Lò xo xoắn (torsional spring). Khi áp dụng một moment lên một thanh hay một trục quay có khối lượng không đáng kể, trục quay một góc θ. Nếu k là hằng số xoắn, moment trên một đơn vị góc dời, thì hệ thống có thể biểu diễn bằng hình H.5_8 và phương trình: T(t)=Kθ(t) (5.18) Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.7
8. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn K T(t) H.5_8: Hệ thống moment-θ(t) lò xo xoắn. Nếu lò xo xoắn có mang trước một moment Tp, thì phương trình trên được cải tiến. T(t) –TP =Kθ(t) (5.19) c) Ma sát trong chuyển động quay. Cả ba loại ma sát đã mô tả trong chuyển động tịnh tiến đều có thể áp dụng cho chuyển động quay. Do đó các phương trình (5.13), (5.14) và (5.15) có thể viết lại trong trường hợp này như sau: dθ T t)( = B (5.20) dt T(t)= ± (Fs)θ’=0 (5.21) ⎛ ⎞ ⎜ dθ ⎟ T() t= F ⎜ dt ⎟ (5.22) c ⎜ dθ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ dt ⎠ Trong đó, B :Hệ số ma sát nhớt, moment trên một đơn vị vận tốc góc. (Fs)θ=0 là ma sát nghỉ. Fc : là ma sát coulomb. 4. Sự tương quan giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Trong vấn đề điều khiển chuyển động, thường khi ta cần đổi một chuyển động quay thành một chuyển động tịnh tiến. Thí dụ, - Hình H.5_9 : bộ điều khiển đổi một chuyển động quay thành một chuyển động thẳng nhờ motor và bộ screw (Vis Faraday) - Hình H.5_10: cũng có chức năng tương tự, nhưng sự chuyển đổi thực hiện nhờ thanh răng (rack) và pinion(nhông)./ - Hình H.5_11: Một bộ điều khiển chuyển động thông dụng khác, dùng pulley (ròng rọc) và dây couroir . Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.8
9. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn T(t),θ(t) x(t) MOTOR w H.5_9 x(t) W H.5_10 x(t) Motor θ(t) r thúc T(t) W r Motor H.5_11 thúc T(t) Các hệ thống trên điều có thể được biểu diễn bằng một hệ thống đơn giản với một quán tính tương đương mắc trực tiếp vào một motor thúc. Thí dụ, khối lượng ở hình H.5_11, có thể xem như là một khối điểm (point mass) chuyển động quanh ròng rọc, bán kính r. Bỏ qua quán tính của ròng rọc, thì quán tính tương w đương do motor là: J= Mr 2 = r 2 (5.23) g - Nếu bán kính của pinion ở hình H.5_10 là r, quán tính tương đương do motor cho bởi phương trình (5.23). Bây giờ ta xem hệ thống ở hình H.5_9. Gọi L là khoảng di chuyển thẳng của khối lượng khi khoảng cách space convis xoay một vòng. Về nguyên tắc, hai hệ thống ở hình H.5_10 và H.5_11 thì tương đương. Ơ hình H.5_10 khoảng di chuyển thẳng của khối lượng trên mỗi vòng quay của pinion làL=2πr. Do đó, dùng phương trình (5.23) để tính quán tính tương đương của hệ ở hình H.5_9. 2 w ⎛ L ⎞ J = ⎜ ⎟ (5.24) g ⎝ 2π ⎠ 5. Cơ năng và công suất. Năng lượng và công suất giữ vai trò quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống điện cơ. Năng lượng được tích trữ dưới dạng động năng và thế năng iưu khin tính “động” của hệ thống. Tuy nhiên, năng lượng tiêu tán thường ở dạng nhiệt, cũng cần được kiểm soát. * Khối lượng hoặc quán tính của một vật chỉ khả năng tích trữ động năng. Động năng của một khối lượng di chuyển với vận tốc v là: Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.9
10. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 1 W= Mv 2 (5.25) k 2 2 Wk: Joule, hoặc Nm ; M: N/m/sec ;v: m/s. đối với một hệ thống quay, động năng được viết: 1 WJ= ω 2 (5.26) k 2 J: moment quán tính Kg.m2 ω: vận tốc góc rad/s. * lò xo tuyến tính bị biến dạng một chiều dài y , sẽ tích trữ một thế năng: 1 W = Ky 2 (5.27) k 2 * lò xo xoắn, tích trữ thế năng: 1 WK= θ 2 (5.28) p 2 θ : Góc xoắn. Đối với một bộ phận ma sát, năng lượng biểu diễn một sự mất hoặc tiêu hao bởi hệ thống khi đối kháng với lực ma sát. Công suất tiêu tán trong bộ phận có ma sát là tích số của lực và vận tốc. P=f.v (5.29) Vì f= B.v, với B là hệ số ma sát, nên: P=B.v2 (5.30) ( P: N.m/s2 hoặc watt (w)). Vậy năng lượng tiêu tán trong bộ phận ma sát la: W= B v2 dt (5.31) d ∫ 6. Bánh răng - đòn bẩy – dây courroir. Bánh răng, đòn bẩy hoặc dây courroir và pu-li là những cơ phận truyền năng lượng từ một bộ phận này đến một bộ phận khác của hệ thống đễ thay đổi lực, moment, vận tốc và độ dời. Chúng cũng được xem như là những bộ phận phối hợp nhằm đạt đến sự truyền công suất tối đa. Hai bánh răng nối nhau như hình H.5_12. Quán tính và ma sát của chúng được xem như không đáng kể trong trường hợp lý tưởng. Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.10
11. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn T1,θ1 T2,θ2 H.5_12 Những hệ thức giữa moment T1 và T2, góc dời θ1 vàθ2 , số răng N1 và N2 của bộ bánh răng được dẫn xuất từ các sự kiện sau đây: 1_ Số răng trên bề mặt các bánh răng tỉ lệ với bán kính r1và r2 của bánh răng: r1N2=r2N1 (5.32) 2_ Khoảng dịch dọc theo bề mặt của mỗi bánh răng thì bằng nhau. θ1r1=θ2r2 (5.33) 3_ Giả sử không có sự mất năng lượng, công tạo bởi bánh răng này bằng công của bánh răng kia. T1θ1=T2θ2 (5.34) Nếu ω1 và ω2 là vận tốc góc của chúng thì: T θ N ω r 1 =2 =1 =2 = 1 (5.35) T2 θ1 N 2 ω1 r2 Thực tế, các bánh răng đều có quán tính và lực ma sát thỉìng không bỏ qua. B1 N1 T1,Fc1 J1 B2 T,θ1 J2 Fc2,θ2 N2 T 2 H.5_13 Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.11
12. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn T= moment áp dụng θ1, θ2: góc dời. T1, T2: moment được truyền đến bánh răng J1, J2; quán tính của bánh răng N1, N2: số răng Fc1,Fc2: Hệ số ma sát coulomb. B1B , B2: Hệ số ma sát nhớt (trượt). Phương trình moment của bánh răng 2 được viết: . d2θ ()() t dθ t θ T() t= J 2 + B 2 + Fc 2 (5.36) 2 2 dt2 2 dt 2 . θ1 Phương trình moment của bánh răng 1 là: . d2θ ()() t dθ t θ T() t= J 1 + B 1 + Fc1 + T( t ). (5.37) 2 1 dt 2 1 dt 1 . 1 θ1 Dùng (5.35), phương trình (5.36) đổi thành: 2 2 . N ⎛ N ⎞ d2θ () t ⎛ N ⎞ dθ () t N θ T()() t = 1 T t = ⎜ 1 ⎟ J 1 + ⎜ 1 ⎟ B 1 + 1 Fc 1 (5.38) 1 2 ⎜ ⎟ 2 2 ⎜ ⎟ 2 2 . N 2 ⎝ N 2 ⎠ dt ⎝ N 2 ⎠ dt N 2 θ1 Phương trình (5.38) chứng tỏ rằng có thể phản xạ quán tính, ma sát,momen,vận tốc và độ dời từ phía naỳ sang phía kia của bộ bánh răng. Như vậy, các đại lượng sau đây sẽ có được khi phản xạ từ bánh răng 2 sang bánh răng 1 : 2 ⎛ N ⎞ ⎜ 1 ⎟ Quán tính : ⎜ ⎟ J 2 ⎝ N 2 ⎠ 2 ⎛ N ⎞ ⎜ 1 ⎟ Hệ số ma sát nhớt : ⎜ ⎟ B2 ⎝ N 2 ⎠ N1 Momen : T2 N 2 N 2 Góc dời : θ 2 N1 N 2 Vận tốc góc : ω 2 N1 N1 ω 2 Momen ma sát coulomb : Fc2 N 2 ω 2 Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.12
13. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 2 ⎛ N ⎞ Nếu có sự hiện diện của lò xo xoắn, hằng số lò xo cũng được nhn bởi ⎜ 1 ⎟ , ⎝ N 2 ⎠ khi phản xạ từ bánh răng 2 sang bánh răng 1. Bây giờ, thay (5.38) vào (5.37) : d2θ () t dθ ( t) T(t)= J 1 + B 1 + T (5.39) 1e dt 2 1e dt F Trong đó : 2 ⎛ N ⎞ ⎜ 1 ⎟ J1e = J1 + ⎜ ⎟ J 2 (5.40) ⎝ N 2 ⎠ 2 ⎛ N ⎞ ⎜ 1 ⎟ B1e = B1 + ⎜ ⎟ B2 (5.41) ⎝ N 2 ⎠ . . θ N θ T = Fc 1 + 1 Fc 2 (5.42) F 1 . 2 . N 2 θ 1 θ 2 Dây courroir và dy chain được dùng cùng mục đích như bộ bánh răng. Nhưng nó cho phép chuyển năng lượng với khoảng cách xa hơn mà không dùng các bánh răng với số răng quá lớn. Hình H.5_14 vẽ sơ đồ của một dây courroir (hoặc chain) giữa hai ròng rọc (pulley). Giả sử không có sự trượt giữa chúng. Dễ thấy rằng phương trình (5.41) vẫn còn được áp dụng trong trường hợp này. Thật vậy, sự phản xạ (hay sự truyền dẫn) của momen, quán tính ma sát thì tương tự như trong một bộ bánh răng. T2,θ2 r 2 r T1,θ1 1 H.5_14 Đòn bẩy (lever) như trong hình H.5_15 truyền chuyển động thẳng và lực tương tự cách thức mà bộ bánh răng truyền chuyển động quay. Hệ thức giữa lực và khoảng cách là : f l x 1 = 2 = 2 (5.43) f l x x1 2 1 1 f 1 l1 l2 H.5_15 x2 Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.13
14. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn IV) PHƯƠNG TRÌNH CỦA CỦA CÁC HỆ THỐNG CƠ KHÍ. Để viết các phương trình của một hệ cơ tuyến tính , trước nhất phải xây dựng trước một mô hình của hệ, bao gồm các bộ phận tuyến tính nối nhau. Sau đó áp dụng định luật Newton. Thí dụ 5.2 : Xem một hệ thống vẽ ở hình H. 5_16a . Sơ đồ vật thể tự do của hệ vẽ ở hình H.5_16b. Phương trình lực của hệ được viết : d2 y() t dy( t) f() t = M + B + Ky( t) (5.44) dt 2 dt 2 y(t) Md y(t) K dt2 y(t) M f(t) Ky(t) M f(t) B Bdy(t) dt H.5_16a H.5_16b Phương trình cấp 2 (5.44) có thể phân thành hai phương trình trạng thái cấp một. Đặt dy x =y và x = như là các biến số trạng thái. 1 2 dt dx() t 1 = x() t (5.45) dt 2 dx() t K B 1 2 = − x() t - x() t + f() t (5.46) dt M 1 M 2 M Để hệ thống cơ trên đây tương đương với mạch RLC nối tiếp của mạch điện. Với sự tương đương giữa một hệ thống cơ và một hệ thống điện, việc thành lập trực tiếp các phương trình trạng thái cho một hệ thống cơ sẽ trở nên đơn giản. Nếu ta xem khối lượng thì tương đương với điện cảm, hằng số lò xo K thì tương đương với nghịch đảo của điện dung 1/C . Vậy có thể chỉ định v(t): vận tốc và fk(t): lực tác động lên lò xo như là các biến số trạng thái. Lý do là cái trước tương tự dòng điện trong cuộn cảm, và cái sau tương tự như điện thế ngang qua tụ. Do đó phương trình trạng thái của hệ được viết bằng: Lực trên khối lượng: Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.14
15. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn dv() t M = −Bv()()() t − f t + f t (5.47) dt k Vận tốc của lò xo : 1 df() t k = v() t (5.48) k dt Phương trình trên thì giống như cách viết phương trình điện thế ngang qua 1 cuộn cảm. Còn phương trình dưới giống như phương trình ngang qua tụ. Thí dụ đơn giản trên cho thấy các phương trình trạng thái và biến số trạng thái của 1 hệ thống động thì không duy nhất. Thí dụ 5.3: Xem 1 hệ thống như hình H.5_17a. Vì lò xo bị biến dạng khi chịu tác dụng của lực f(t) hai độ dời y1 và y2 phải được chỉ định cho 2 đầu mút của lò xo. Sơ đồ vật thể tự do của hệ vẽ ở hình H.5_17b. y2(t) y1(t) H.5_17a: Hệ thống khối lượng M lò xo- ma sát. f(t) k B d2 y() t M 2 dt 2 k M H.5_17b : Sơ đồ vật thể tự do. M f(t) dy() t K(y1-y2) B 2 dt Từ H.5_17b, các phương trình lực được viết : f(t)=K[y1(t)-y2(t)] (5.49) d2 y()() t dy t K[ y ( t )− y ( t )] = M 2 + B 2 (5.50) 1 2 dt 2 dt Để viết các phương trình trạng thái của hệ thống, ta đặt: X1(t)=y2(t) dy2 () t X2(t)= dt Thì các phương trình (5.49) và (5.50) được viết lại: dx() t 1 = x() t (5.51) dt 2 dx() t B 1 2 = −x() t + f() t (5.52) dt M 2 M Nếu ta chỉ định vận tốc v(t) của khối lượng M là 1 trạng thái biến số , lực fk(t) trên lò xo là 1 biến số, thì: Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.15
16. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn dv() t B 1 = −v() t + f() t (5.53) dt M M k fk(t)=f(t) (5.54) Mạch điện tương đương với hệ cơ trên được vẽ ở hình H.5_18. + + iL e(t) ec L - - H.5_18 Nếu muốn tìm độ dời y1(t) tại điển mà y(t) áp dụng vào, ta dùng hệ thức: t fk () t f() t y2 = +y2 () t = + v(τ ) d τ + y2 (0) (5.55) k k ∫0 Trong đó y2(0) là độ dời ban đầu của khối lượng M . Mặt khác, có thể giải cho y2(t) từ 2 phương trình trạng thái (5.51) và (5.52) và y1(t) được xác định bằng (5.49). Thí dụ 5.4: Hệ thống quay vẽ ở hình H.5_19 gồm 1 đầu thì cố định. Moment quán tính của dĩa quanh trục là J. Rìa của dĩa được lướt trên mặt phẳng và hệ số ma sát trượt là B. Bỏ qua quán tính của trục. Hằng số xoắn là K. J.d2θ dt2 K B.dθ dt θ(t) J kθ B T(t) Giả sử 1 momentT(t) áp dụng vào hệ thống như hình vẽ: Phương trình momen quanh trục được viết từ hình H.5_19bH.5_19b H.5_19a d2θ()() t d θ t T(t)= J +B + Kθ () t (5.62) dt 2 dt Hệ thống này tương tự như hệ thống chuyển động tịnh tiến ở H.5_16. Các phương trình trạng thái có thể viết bằng các định nghĩa các biến. x1(t)=θ ()t dx() t Và 1 = x() t dt 2 Ngươì đọc có thể thực hiện các bước tiếp theo để viết phương trình trạng thái như là 1 bài tập. Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.16
17. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn V. MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ DC. 1. Sơ lược về các lọai động cơ DC: Motor DC có thể được xếp thành 2 loại : loại có từ thông thay đổi được và loại không có từ thông thay đổi được. -Trong loại thứ nhất: Từ trường được tạo bởi cuộn cảm. Mà cuộn cảm thì đấu với 1 từ trường ngoài. Loại động cơ này lại được có thể chia làm 2 loại: kích từ nối tiếp và kích từ riêng. Cuộn cảm Nối tiếp Cuộn cảm M M riêng H.5_19a:Kích từ nối tiếp H.5_19a, ký hiệu của động cơ DCH.5_19b:Kích kích từ nố it ừti ếriêngp. Cu ộn cảm đấu nối tiếp với phần ứng. H.5_19b động cơ nối tiếp kích từ riêng. Cuộn cảm cách ly với phần ứng và được cấp điện bởi 1 nguồn điện khác. + Trong loại kích từ nối tiếp, từ thông trong động cơ thì tỷ lệ với dòng điện cảm, mà dòng này thì thay đổi, sự liên hệ giữa moment và vận tốc thường là phi tuyến. Như vậy loại động cơ này chỉ dùng trong những ứng dụng đặt biệt cần đến moment lớn với vận tốc thấp. Momen của motor giảm rất nhanh khi vận tốc tăng. + Đối vối loại kích từ riêng từ thông thì độc lập với dòng điện ứng. Vì vậy nó có thể được điều khiển từ bên ngoài trong 1 phạm vi rộng. -Trong loại thứ 2 motor DC có từ thông không đổi, từ trường phần cảm là do 1 nam châm vĩnh cửu và không thay đổi . Loại này gọi là PM motor. Điều này khiến đặc tuyến moment-vận tốc tương đối tuyến tính. Các động cơ DC qui ước đều có chổi và cổ góp. Nhưng hiện nay có loại động cơ DC mà cổ góp được thay bằng bộ phận điện tử . Loại này được gọi là động cơ DC không chổi(DC brushless motor). 2. Mô hình hóa động cơ DC: Vì các động cơ DC được dùng rất nhiều trong các hệ điều khiển ta cần quan tâm tới việc thiếp lập 1 mô hình toán học cho chúng. Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.17
18. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn Sau đây ta khai triển mô hình toán học cho 2 lọai động cơ DC kích từ riêng và loại kích từ bằng nam châm vĩnh cữu (PM.motor). a. Động cơ DC kích từ riêng: R Rf a φ + + if ia L ef La f - ea + eb M ωm φm - T - L Tm H.5_20: Mô hình của động cơ DC kích từ riêng Phần ứng được mô hình hóa như là 1 mạch với điện trở Ra, nối tiếp với 1 cuộn cảm La. Một nguồn điện thế Eb biểu diễn cho sức điện động sinh ra trong phần ứng khi rotor quay. Phần cảm được biểu diễn bằng 1 điện trở Rf nối tiếp với 1 cuộn điện cảm Lf . Từ thông trong khe từ là rỗng. Các biến số và thông số tóm tắt như sau: Ea(t): điện thế phần ứng. Ef(t): điện thế phần cảm. Ra: điện trở phần ứng. Eb(t): suất điện động trong phần ứng. Rf: điện trở phần cảm. La: điện cảm phần ứng. Lf: điện cảm phần cảm. I a(t): dòng điện phần ứng. I f(t): dòng điện phần cảm. Ki: hằng số moment. Kb: hằng số suất điện động phần ứng. Tm(t): moment được khai triển bởi động cơ. Jm: quán tính của rotor. BBm: hệ số ma sát trượt. θm t :)( góc dời của rotor. ωm t :)( vận tốc dài của rotor. TL(t): moment tải. Giả sử ef(t) được cung cấp 1 cách hiệu quả để cho if(t) không đổi. Sự điều khiển được đặt lên 2 đầu phần ứng dưới dạng điện thế ea(t). Và để phân giải tuyến tính ta giả sử thêm: Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.18
19. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 1- Từ thông ở khe từ thì tỷ lệ với dòng điện cảm. 2- Moment khai triển bởi động cơ thì tỷ lệ với từ thông trong khe từ và dòng điện ứng . Vì K mKf If là hằng số, nên: Tm(t)=Ki ia(t) (5.65) Ki là hằng số moment. Bắt đầu với điện thế điều khiển ở ngõ vào các phương trình nhân quả của hệ được viết lại: dia () t 1 R a 1 =ea ()()() t −ia t − eb t (5.66) dt La La La Tm(t)=Ki ia(t) (5.67) dθ () t e() t= K m =K ω () t (5.68) b b dt b m 2 dθm () t 1 1 Bm dθm () t 2 = Tm ()() t −TL t − (5.69) dt Jm Jm Jm dt Trong đo, TL(t) là moment tải(cản). Một cách tổng quát TL(t) biểu diễn 1 moment mà động cơ phải vuợt quá mới có thể thay đổi được. TL(t) cũng có thể là moment ma sát không đổi thí dụ ma sát culomb. * Các phương trình (5.66) đến (5.69) là nguyên nhân của các nguyên nhân. Phương trình (5.56) xem diat)/dt là hậu quả trung gian do ea(t) gây ra. Trong phương trình (5.57) ia(t) tạo nên moment Tm(t). Phương trình (5.68) định nhgĩa suất điện động phần ứng và cuối cùng trong phương trình (5.69) moment gây ra góc dời θm. Các biến số trạng thái của hệ có thể được định nhgĩa là θm , Wm và ia. Các phương trình trạng thái của động cơ DC , được viết dưới dạng ma trận (5.70): ⎡−R − K ⎤ ⎡ i() t ⎤ ⎡ 1 ⎤ ⎡ 0 ⎤ ⎡ dia () t ⎤ a b 0 a ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ dt La La La ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ dωm () t ⎢ Ki − Bm ⎥ ⎢ωm ()t ⎥ ⎢ 0 ⎥ ⎢ 1 ⎥ ⎢ ⎥ = 0 . + .().()ea t − TL t (5.70) ⎢ dt ⎥ ⎢ J J ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢J ⎥ ⎢ m m ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ m ⎥ ⎢ dθm () t ⎥ 0 1 0 θ ()t 0 0 ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ m ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ dt ⎦ ⎣⎢ ⎦⎥ ⎣ ⎦ ⎣⎢ ⎦⎥ ⎣ ⎦ Nhớ là trong trường hợp này TL(t) là input thứ 2 trong các phương trình trạng thái. Đồ hình trạng thái của hệ được vẽ ở hình H.5_27, bằng cách dùng phương trình (5.70). Hàm chuyển giữa độ dời và điện thế suy được từ đồ hình trạng thái. Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.19
20. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn θm()s Ki = 3 2 (5.71) Ea()( s LJSRJBLSKKRBSa m +a m + m a)( +b i + a m) Trong đó TL đặt ở Zero. ia(to) TL ωm(to) θm(to) -1 -1 s -1/Jm -1 s s 1/L -1 -1 -1 -1 a s s s s . . ea i i -Bm/Jm a a ωm ωm θm -Ra/La -Kb/La H.5_21: Đồ hình trạng thái Một sơ đồ khối của hệ thống được trình bày như hình H.5_22. TL(s) - E (s) + I (s) T (s) a 1 a a θm(s) K 1 Ωm(s) 1/S R +L S i a a + JmS+Bm - Eb(s) Kb H.5_22: Sơ đồ khối của hệ thống. Chương V Mô Hình Hóa Các Hệ Thống Vật Lý Trang V.20