Ứng dụng công cụ Simscape trong mô hình hóa và mô phỏng

Chia sẻ: Nhan Chiến Thiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo "Ứng dụng công cụ Simscape trong mô hình hóa và mô phỏng" giới thiệu công cụ Simscape mô hình hóa một và phần tử cơ bản trong mạch điện và bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V. Thực hiện mô phỏng với các tín hiệu vào phù hợp với nguyên lý làm việc của từng phần tử. Kết quả mô phỏng cho thấy các mô hình đều phản ánh đúng bản chất vật lý của đối tượng và cho đáp ứng phù hợp với tính toán giải tích hoặc mô phỏng thông qua các phần mềm, các công cụ khác. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng công cụ Simscape trong mô hình hóa và mô phỏng

HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 58 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ ỨNG DỤNG CÔNG CỤ SIMSCAPE TRONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG Nguyễn Tiến Dũng1,*, Lê Út Ly2, Dương Thị Thanh Vân2 1 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện – Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp 2 Lớp K52TĐH.01, khoa Điện – Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Tóm tắt: Bài báo giới thiệu công cụ Simscape mô hình hóa một và phần tử cơ bản trong mạch điện và bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V. Thực hiện mô phỏng với các tín hiệu vào phù hợp với nguyên lý làm việc của từng phần tử. Kết quả mô phỏng cho thấy các mô hình đều phản ánh đúng bản chất vật lý của đối tượng và cho đáp ứng phù hợp với tính toán giải tích hoặc mô phỏng thông qua các phần mềm, các công cụ khác. Từ khóa: Mô hình hóa và mô phỏng, Matlab, Simulink, Simscape... 1. MỞ ĐẦU Ngày nay khó có thể tìm thấy lĩnh vực hoạt động nào của con người mà không sử dụng phương pháp mô hình hoá ở những mức độ khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lĩnh vực điều khiển các hệ thống (kỹ thuật, xã hội), bởi vì điều kiển chính là quá trình thu nhận thông tin từ hệ thống, nhận dạng hệ thống theo một mô hình nào đó và đưa ra quyết định điều khiển thích hợp. Quá trình này được tiếp diễn liên tục nhằm đưa hệ thống vận động theo một mục tiêu định trước. Ở giai đoạn thiết kế hệ thống, mô hình hoá giúp người thiết kế lựa chọn cấu trúc, các thông số của hệ thống để tổng hợp hệ thống. Ở giai đoạn vận hành hệ thống mô hình hoá giúp cho người điều khiển giải các bài toán tối ưu, dự đoán các trạng thái của hệ thống. Đặc biệt trong trường hợp kết hợp hệ chuyên gia (Expert system) với mô hình hoá người ta có thể giải được nhiều bài toán điều khiển, tiết kiệm được nhiều thời gian cũng như chi phí về vật chất và tài chính. Để mô hình hóa các đối tượng (hệ thống), ta có thể sử dụng phương pháp giải tích. Đây là phương pháp dựa vào các quy luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống xác định các quan hệ vào – ra và xây dựng mô hình. Đối với phương pháp này người thiết kế cần am hiểu về các định luật vật lý, quá trình chuyển hóa năng lượng đặc biệt cần có những kiến thức rất sâu về các phương pháp tính toán. Mặt khác, bản thân phương pháp giải tích gặp nhiều khó khăn khi mô tả hệ thống như thường phải chấp nhận nhiều giả thiết để đơn giản hoá mô hình, do đó các kết quả nghiên cứu có độ chính xác không cao Ngày nay với sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công nghệ thông tin, ta có thể mô hình hoá hệ thống bằng phương pháp số (mô phỏng) hoặc kết hợp giữa phương pháp giải tích và phương pháp số. Điều này, cho phép xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác, có thể mô tả các yếu tố ngẫu nhiên và tính phi tuyến của đối tượng thực, do đó mô hình càng gần với đối tượng thực [1]. Trong báo cáo này, tác giả giới thiệu công cụ Simscape trong Matlab dùng để mô hình hóa và mô phỏng các đối tượng. Công cụ này cho phép người dùng xây dựng mô hình đối tượng dựa trên các mô hình vật lý tích hợp sẵn, trực quan nên rất tiện lợi và không đòi hỏi người dùng có kiến thức quá sâu về các quá trình vật lý, các phương pháp tính trong quá trình xây dựng mô hình. Đặc biệt công cụ này cho phép ta xây dựng mô hình chuyển đổi đa trường các tín hiệu vật lý trên cùng một giao diện giống như thiết kế, lặp đặt các hệ thống thực. Mô hình simscape thuận lợi cho việc nghiên cứu, giảng dạy, khảo sát hệ thống, thiết kế bộ điều khiển, hiệu chỉnh thông số... 2. GIỚI THIỆU CÔNG CỤ SIMSCAPE Simscape là một bộ công cụ mô phỏng đa trường (Điện, Từ trường, Nhiệt, Nhiệt lỏng, Cơ khí, Thủy lực, Khí nén, tín hiệu vật lý khác…) trong simulink, cho phép người dùng xây dựng mô hình đối tượng dựa trên các mô hình vật lý tích hợp sẵn. Chúng ta có thể mô hình hóa các hệ thống như động cơ điện, chỉnh lưu cầu, bộ truyền động cơ khí, thủy 1
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 59 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ lực và hệ thống nhiệt, dòng chảy… bằng cách kết nối các thành phần cơ bản thành sơ đồ. Đặc biệt công cụ này cho phép ta xây dựng mô hình chuyển đổi đa trường các tín hiệu vật lý trên cùng một giao diện giống như thiết kế, lặp đặt các hệ thống thực [2]. Hình 1. Giao diện thư viên Simscape trong Simulink Hình 2. Các phần tử cơ bản thuộc lĩnh vực điện của thư viên Simscape 2
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 60 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ Simscape giúp người dùng phát triển các hệ thống điều khiển và kiểm tra hoạt động vào- ra của hệ thống. Ta có thể xây dựng mô hình từ thư viện và giao diện của simulink, khai báo tham số trực tiếp trên các phần tử của mô hình hoặc sử dụng chương trình mfile để khởi tạo, kết nối dữ liệu và chạy mô phỏng, xử lý dữ liệu một cách dễ dàng. Simscape cũng cho phép kết nối dữ liệu đến các môi trường mô phỏng khác, hoặc kết nối tới mạch thực. 3. MÔ HÌNH HÓA CÁC ĐỐI TƯỢNG ĐIỆN TỪ 3.1. Mạch RC trong Simulink và Simscape Trong ví dụ này ta xây dựng 02 mô hình mô phỏng mạch điện RC, một mô hình sử dụng hàm truyền và kết nối các khối vào ra Simulink và một mô hình sử dụng mạng vật lý Simscape. Simulink sử dụng các kết nối tín hiệu, xác định cách dữ liệu truyền từ khối này sang khối khác. Mô hình Simscape sử dụng các kết nối vật lý, cho phép dòng năng lượng hai chiều giữa các thành phần. Các kết nối vật lý tương tự như lắp mạch điện trong thực tế. Khi cần đo đạc, khảo sát các tín hiệu vào/ra như thế nào ta sử dụng các thiết bị đo tương ứng. Hình 3. Mô hình simulink và mô hình Simscape của mạch điện R-C. Mạch được cấp bởi bởi điện áp xung vuông, biên độ U0=5V; tần số f=100 Hz, thời gian trễ 0,001s. Giá trị điện trở và điện dung tương ứng R=10 (Ω); C=10-4 (F). Kết quả khảo sát dòng điện qua điện trở và điện áp đầu ra đều trùng khớp nhau và có dạng như hình 4 và 5. Dong dien (A) Hình 4. Dòng điện quá độ qua điện trở 3
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 61 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ Hình 5. Điện áp đầu ra của mạch RC 3.2. Mô hình động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu Mô hình này xây dựng trên động cơ 1 chiều kích từ vĩnh cửu 0615 (Faulhaber Series 0615 DC-Micromotor); điện trở dây quấn phần ứng Rư=3,9 (Ω); Điện kháng dây quấn phần ứng Lư=12.10-6 (H); mô me điện từ = 0,072. 10 ⁄ Ngoài việc mô hình hóa mạch điện từ các phần tử điện trở, điện cảm thông thường, để mô tả quá trình chuyển hóa năng lượng trong động cơ ta sử dụng khối chuyển đổi năng lượng điện – cơ quay (Rotational Electromechanical Converter); phần tử quán tính (Inertia) và phần tử ma sát (Friction) được sử dụng để mô tả hằng số quán tính và momen ma sát của động cơ (hình 6). Hình 6. Mô hình Simscape của động cơ 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 4
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 62 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ Thực hiện mô phỏng với điện áp phần ứng Uư= 1,5V; trong 0,1 giây đầu tiên, động cơ khởi động không tải và tốc độ sẽ tăng lên đến giá trị không tải. Sau đó, tại 0,1 giây, ta cấp tải dạng mô-men xoắn đặt vào trục động cơ. Kết quả mô phỏng cho thấy động cơ cho đáp ứng phù hợp với tính toán thiết kế từ nhà sản xuất. dong dien (A) Momen (N*m) Hình 7. Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng phần ứng của động cơ 3.3. Mô hình máy biến áp 1 pha 2 dây quấn Hình 8. Mô hình Simscape của máy biến áp 1 pha 2 dây quấn 5
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 63 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ Trong bài toán này ta mô tả máy biến áp từ các phần tử cơ bản như điện trở, điện kháng; đối với cuộn dây lõi sắt ta mô tả bằng phần tử Winding; các thành phần của mạch từ được mô tả thông qua phần tử Reluctance. Máy biến áp mô phỏng với tỷ số vòng dây sơ cấp/ thứ cấp là 1200/120 vòng; điện áp hình sin có biên độ 110V / 11V, tần số 50 Hz; điện trở dây quấn sơ cấp R1= 8,4683(Ω), thứ cấp R2= 8,4683/100(Ω). Máy khởi động không tải, tại thời điểm t=0,05s cấp tải thuần trở Rt=2,88 (Ω). Mô hình của máy biến áp và kết quả mô phỏng được thể hiện như hình 8,9. Hình 9. Kết quả mô phỏng đáp ứng điện áp, dòng điện của máy biến áp Hình 10. Kết quả mô phỏng đáp ứng từ thông của máy biến áp 6
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 64 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ 4. MÔ HÌNH HÓA BỘ KÍCH HOẠT ĐIỆN NHIỆT DẠNG CHỮ V 4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Bộ kích hoạt dầm chữ V cấu tạo gồm n dầm đơn song song, được đặt nghiêng 1 góc ( − α) so với phương chuyển vị của hệ dầm hình 1. Nguồn điện cấp cho hệ dầm có dạng xung vuông hoặc nửa chu kỳ sin. Ở kỳ dẫn động (nửa chu kỳ đầu) điện áp được đặt vào các điện cực cố định (1), dòng điện chạy qua hệ dầm (2) sinh ra nhiệt làm cho hệ dầm nóng lên, giãn nở tạo chuyển vị theo phương thẳng đứng. Ở kỳ hồi vị (nửa chu kỳ tiếp theo), điện áp dẫn về 0, nhiệt được thoát ra đế và không khí, hệ dầm được làm nguội, đỉnh dầm B được hồi về và chuẩn bị chu kỳ làm việc tiếp theo. B’ L+l/2 ∆di A L B α H Hình 11. Cấu tạo và nguyên lý cấp nguồn của hệ dầm chữ V Hình 12. Chuyển vị của đỉnh hệ dầm Với kết cấu này cần tính toán khảo sát giá trị điện áp tối thiểu để lực nhiệt thắng được lực đàn hồi của hệ dầm mới có thể tạo chuyển vị, khảo sát tần số lớn nhất mà hệ dầm có thể đáp ứng được do quán tính nhiệt [3,4]. Từ hình vẽ 2, có thể xác định được chuyển vị theo phương thẳng đứng của mỗi dầm đơn: ∆ = ( +∆ ) −( ) − (1) Do hệ n dầm song song, nên chuyển vị của hệ dầm chính là chuyển vị của 1 dầm đơn cộng với độ giãn nở của dầm xương cá (dầm xương cá được giả thiết là giãn nở đều về 2 phía). ∆ = ( +∆ ) −( ) − + ∆ (2) 4.2. Mô hình hóa bộ kích hoạt chữ V bằng Simscape Từ nguyên lý làm việc ta nhận thấy quá trình chuyển đổi năng lượng trong bộ kích hoạt từ điện – nhiệt – cơ, do đó để mô tả quá trình chuyển đổi điện – nhiệt ta sử dụng phần tử nhiệt điện trở (Thermal Resistor), để mô tả quá trình truyền nhiệt trong thanh dẫn và quá trình đối lưu nhiệt ra không khí ta sử dụng các phần tử truyền nhiệt (Conductive Heat Transfer) và đối lưu (Convective Heat Transfer). Dầm chữ V được phân tách thành các phần tử ∆x dọc theo phương vuông góc với phương chuyển vị của đỉnh dầm, với giả thiết mỗi vi phân ∆x là đồng nhất và nhiệt độ phân bố là giống nhau. Như vậy ta có thể mô hình hóa mỗi vi phân ∆x của dầm chữ V như hình 13. Việc phân tách chiều dài dầm thành các vi phân ∆x, về mặt lý thuyết các ∆x càng nhỏ thì mô hình càng chính xác, tuy nhiên số lượng các phần tử lớn khó khăn cho việc xây dựng mô hình tổng thể và thời gian chạy mô phỏng sẽ lớn hơn. Trong bài toán này chiều dài mỗi dầm đơn là L=320 µm, nên tác giả tách mỗi dầm đơn thành 15 phần tử (∆x=21,3 µm), hình 5. 7
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 65 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ Hình 13. Mô hình hóa phân đoạn ∆x trong Simsicape Hình 14. Mô hình simscape của hệ dầm chữ V Với mô hình đối tượng được mô tả như hình 5, bộ kích hoạt được chế tạo từ phiến silic kép (Silicon On Insulator–SOI wafer) sử dụng 1 mặt nạ (single mask) dựa trên công nghệ MEMS tiêu chuẩn. Các thông số cơ bản của đối tượng được cho trong bảng 1. Bảng 1. Các thông số hình học và tính chất vật liệu cơ bản của bộ kích hoạt Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Tham số Ký Giá trị Đơn vị hiệu Chiều dài dầm đơn L 320 m Khe hở không khí ga 4 m Chiều rộng dầm đơn wb 4,5 m Khối lượng riêng D 2320 Kg/m3 8
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 66 Nguyễn Tiến Dũng - TBĐ Chiều dày của mỗi dầm tb 30 m Nhiệt dung riêng cp 0,71 J/g.0C Chiều dài dầm xương cá ls 125 m Điện trở suất tại 20 0C 1200 Ωmm Chiều rộng dầm xương cá ws 40 m Hệ số dẫn nhiệt của silic ks 146 W/m. 0C Chiều dày dầm xương cá ts 30 m Hệ số dẫn nhiệt của ka 0,026 W/m. 0C không khí Với mô hình bộ kích hoạt như hình 5, ta tiến hành mô phỏng với điện áp 1 chiều, U0=20V ta được đáp ứng như hình 16. Kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng đầu ra phản ánh đúng bản chất vật lý của hệ dầm. Nhiệt độ lớn nhất tập trung ở dầm xương cá (khoảng 4200C), nhiệt độ trung bình trên các dầm đơn là 256 0C, điều này phù hợp với các kết quả mô phỏng hệ dầm trên phần mềm Ansys và tính toán giải tích [3,4]. Nhóm tác giả cũng đã thực hiện mô phỏng với các tín hiệu vào khác nhau như xung vuông, điện áp nửa hình sin… các kết quả đều phù hợp với tính toán giải tích và mô phỏng trên Ansys, điều đó có thể nhận định mô hình simscape mô tả bản chất vật lý tương đối sát với đối tượng thực. Hình 16. Đáp ứng nhiệt độ lớn nhất và nhiệt độ trung bình của hệ dầm 5. KẾT LUẬN Bài báo đã nghiên cứu và sử dụng công cụ Simsicape để mô hình hóa một vài đối tượng cơ bản trong mạch điện trên cơ sở kết nối từ các phần tử được tích hợp sẵn và thực hiện mô hình hóa hệ dầm chữ V trên cơ sở phân tách các dầm đơn thành các phần tử dọc theo chiều dài dầm. Mỗi phần tử được coi là đồng nhất và các thông số về điện, nhiệt là như nhau. Với mô hình này cho phép ta khảo sát các tính hiệu vào ra tương tự như khảo sát trên các thiết bị thực tế. Kết quả khảo sát các tín hiệu tương tự như kết quả tính toán giải tích và mô phỏng trên Ansys, điều đó cho thấy mô hình xây dựng từ Simscape phản ánh đúng bản chất vật lý của đối tượng thực. Các mô hình này là ứng dụng hữu ích trong giảng dạy ( mô phỏng các thí nghiệm, kiểm nghiệm đối chiếu kết quả với các phương pháp giải tích, xây dựng các đặc tính, phân tích kết quả...); trong nghiên cứu thiết kế các hệ thống mới, kiểm nghiệm tối ưu hóa các phần tử, phân tích hệ thống và thiết kế các bộ điều khiển... Các kết quả nghiên cứu là cơ sở để phát triển áp dụng cho các ứng dụng cụ thể hơn trong thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Phạm Thục Anh; Mô hình hóa hệ thống và mô phỏng ; Sách chuyên khảo, NXB Khoa học Kỹ thuật. [2]. https://ch.mathworks.com/help/physmod/simscape/ [3]. Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch; Thiết kế, chế tạo thử vi động cơ đường kính 2,5mm dựa trên công nghệ MEMS; Tạp chí khoa học và công nghệ các trường ĐH Kỹ thuật; tập 108-2015,trang 26-32. [4]. Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch; Cải tiến và mô phỏng vi động cơ quay kiểu điện nhiệt; Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa lần thứ 3 (VCCA 2015), 28-29/11/2015, ĐH Thái Nguyên. 9