TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÔN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG PTN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS Lê Quang Thuần Nhóm: TND2 TỔ: 03 Họ và tên sinh viên: Tạ Đình Kiên - 1711847 Nguyễn Thành Huy - 1711541 TP.HCM, THÁNG 5 NĂM 2019 Contents BÀI CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM( Sv: Tạ Đình Kiên). 1 BÀI 1: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG.1 Khảo sát đặc tính tần số của hệ thống bậc 1:.2 Khảo sát đặc tính tần số của hệ thống bậc 2:. 3 BÀI 3: KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ .1 Điều khiển tốc độ mô hình động cơ DC. Điều khiển vi ̣trí mô hiǹ h động cơ DC:.
6 BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG CÓ TRỄ. Chuẩn bị trước thí nghiệm:. Khảo sát mô hình lò nhiệt và tìm các thông số của lò nhiệt:. Điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols:.
9 BÀI 5: ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP BIẾN TRẠNG THÁI. Xây dựng mô hình hệ xe – lò xo:. Điều khiển hồi tiếp biến trạng thái hệ xe – lò xo:. 15 BÀI CHUẨN BI ̣THÍ NGHIỆM( Sv: Nguyễn Thành Huy).
20 BÀI 1: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG.1 Khảo sát đặc tính tần số của hệ thống bậc 1:.2 Khảo sát đặc tính tần số của hệ thống bậc 2:. 21 BÀI 3: KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ .1 Điều khiển tốc độ mô hình động cơ DC:. Điều khiển vi ̣trí mô hiǹ h động cơ DC:. 23 BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG CÓ TRỄ.
Điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp Ziegler – Nichols. 25 BÀI 5: ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TRẠNG THÁI. Xây dựng mô hình hệ xe - lò xo .Điều khiển hồi tiếp biến trạng thái hệ xe - lò xo:. 34 BÀI 0: PHỤ LỤC 1.
34 PHẦN A: ỨNG DỤNG MATLAB PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG .Tìm hàm truyền tương đương của hệ thống: .Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode:.Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Nyquist: .Khảo sát hệ thống dung phương pháp QĐNS: .Đánh giá chất lượng của hệ thống:. 43 PHẦN B: ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG .1 Khảo sát mô hiǹ h hê ̣ thố ng điề u khiể n nhiê ̣t đô ̣: .a Khảo sát hê ̣ hở, nhâ ̣n da ̣ng hê ̣ thố ng thei mô hiǹ h Ziegler – Nichols: .b Khảo sát mô hiǹ h điề u khiể n nhiê ̣t đô ̣ ON – OFF. Khảo sát mô hiǹ h điề u khiể n tố c đô ̣, vi ̣trí đô ̣ng cơ DC:. 50 BÀI 1: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG.
THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM:. Đáp ứng tầ n số của tố c độ động cơ DC. Đáp ứng tần số của vị trí động cơ DC. Khảo sát đáp ứng nấc tốc độ động cơ DC.
63 BÀI 3: KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ. THỰC HIỆN THÍ NGHIÊM: 5. Điều khiển tốc độ động cơ DC. Điều khiển vi trí động cơ DC.
70 BÀI THÍ NGHIỆM 4. 73 ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG CÓ TRỄ. THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM.1 Thông số lò nhiê ̣t. Điề u khiẻn PID theo phương pháp Ziegler – Nichols.
78 BÀI THÍ NGHIỆM 5. 81 ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP BIẾN TRẠNG THÁI. Thực hiê ̣n thí nghiê ̣m. 88 ̀ thông số của hệ xe –lò xo .2 Điề u khiể n vi tri ̣ ́ xe 2.
Điề u khiể n vi ̣trí xe 1. 92 BÀI CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM Họ và tên sinh viên: Tạ Đình Kiên MSSV: 1711847 BÀI 1: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG 4.1 Khảo sát đặc tính tần số của hệ thống bậc 1: Để thực hiện tốt thí nghiệm trên lớp, sinh viên cần chuẩn bị trước phần lý thuyết và thực hiện mô phỏng trên máy tính. Giả sử mô hình động cơ có hàm truyền như ở công thức (5) với: K số thứ tự nhóm, 10 Yêu cầu là thực hiện các bước sau để nhận dạng các tham số K và này: a) Tạo file mô hình simulink như ở Hình 7 b) Cài đặt biên độ sóng sine bằng 10, tần số 0. c) Chạy mô phỏng.
d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định tỉ số biên độ giữa tín hiệu ngõ ra và tín hiệu đặt Ac/Ar , xác định độ trễ pha giữa hai tín hiệu bằng cách đo thời gian t e) Ghi lại các kết quả vào Bảng 1. Lưu ý: biên độ tín hiệu phải được tính bằng cách chia khoảng cách giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất cho 2 vì giá trị trung bình 0 có thể không xác định chính xác trên scope f) Lăp lại bước b) đến e) với các tần số còn lại như trong Bảng 1, biên độ vẫn giữ nguyên bằng 10.2 Khảo sát đặc tính tần số của hệ thống bậc 2: - Lặp lại các bước mô phỏng như ở mục 4. nhưng thêm vào mô hình động cơ DC một khâu tích phân lý tưởng như Hình 12, ghi kết quả vào Bảng 2 và vẽ đáp ứng tần số vào Hình 13. Lưu ý: vì giá trị biên độ của vị trí động cơ không đối xứng qua giá trị 0 nên để tính độ lệch pha giữa 2 tín hiệu ta phải dựa vào giá trị đinh của 2 tín hiệu ngõ vào và ngõ ra.125 -180 3 Biểu đồ bode: 4 BÀI 3: KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ 4.1 Điều khiển tốc độ mô hình động cơ DC: Y (s) K Giả sử mô hình động cơ có hàm truyền: G( s) R( s ) s 1 với: K số thứ tự nhóm, 0.3 Xây dựng bộ điều khiển PID rời rạc với các yêu cầu sau: a) Tạo file mô phỏng như ở Hình 1, trong đó bộ điều khiển PID số như ở Hình 2.
b) Cài đặt tốc độ đặt (Set point) = 800, và KP = 1, KI = KD = 0, thời gian lấy mẫu T s 0. Chú ý: Khi thay đổ i thời gian lấ y mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID controller” và thời gian lấ y mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation -> Configuration) c) Chạy mô phỏng d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập e) Lặp lại bước b) tới d) với các tham số (KP = 1, KI = 10, KD = 0). 5 Nhận xét kết quả mô phỏng trong 2 trường hợp khi không có khâu tích phân (KI = 0) và có khâu tích phân (KI = 10) **TH1: KP = 1, KI = KD = 0 POT =0 Thời gian quá độ: 0s Sai số xác lập =1 **TH2: KP = 1, KI = 10, KD = 0 POT= 0.275 Thời gian quá độ: 600ms Sai số xác lập= 1 ***Nhận xét: có sự tăng độ vọt lố và thời gian xác lập khi ta thay đổi Ki 4. Điều khiển vi tri ̣ ́ mô hin ̀ h động cơ DC: Xây dựng bộ điều khiển PID rời rạc với các yêu cầu sau: a) Tạo file mô phỏng như ở Hình 3, trong đó bộ điều khiển PID số như ở Hình 2.
b) Cài đặt vị trí đặt (Set point) = 100, và KP = 5, KI = 1, KD = 0, thời gian lấy mẫu T s 0. Chú ý: Khi thay đổ i thời gian lấy mẫu ta phải thay đổ i T trong khối “Discrete PID controller” và thời gian lấ y mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation -> Configuration) c) Chạy mô phỏng d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập e) Lặp lại bước b) tới d) với các tham số (KP = 5, KI = 1, KD = 1). Nhận xét kết quả mô phỏng trong 2 trường hợp khi không có khâu vi phân (KD = 0) và có khâu vi phân (KD = 1) 6 **TH1: POT=0.55 Thời gian quá độ:8.45s Sai số xác lập=0.51 Thời gian quá độ:8.45s Sai số xác lập=0.13 ***Nhận xét: Khi thay đổi Kd thì độ vọt lố giảm, thời gian xác lập giảm 7 BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG CÓ TRỄ IV. Chuẩn bị trước thí nghiệm: 4.
Khảo sát mô hình lò nhiệt và tìm các thông số của lò nhiệt: a) Tạo file mô hình simulink như ở hình 6 b) Cài đặt giá trị điện áp cung cấp U = 0. Chỉnh thời gian lấy mẫu T = 0.1s và thời gian mô phỏng 700s. c) Chạy mô phỏng d) mở Scope để xem đáp ứng ngõ ra. Vẽ lại đáp ứng ngõ ra theo biến y đã lưu vào Workspace, e) Xác định điểm uốn I và kẻ tiếp tuyến qua điểm I để tìm K, T1, T2, - Kết quả chạy mô phỏng trong Scope: Từ đồ thị: 8 - K = 30 - T1 = 14s - T2 = 156s 4.
Điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols: 𝑇 156 Bộ điều khiển P: 𝐾𝑃 = 𝑇 2𝐾 = 14𝑥30 = 13/35 ,KI = KD = 0 1 - Đáp ứng của bộ điều khiển P: 0,9𝑇 1 Bộ điều khiển PI: 𝐾𝑃 = 𝑇 𝐾2 = 117/350 𝐾𝐼 = 3,3𝑇 = 5/231 𝐾𝐷 = 0 1 1 9 - Đáp ứng của bộ điều khiển PI: 1,2𝑇 1 Bộ điều khiển PID: 𝐾𝑃 = 𝑇 𝐾2 = 78/175 𝐾𝐼 = 2𝑇 = 1/28 𝐾𝐷 = 0,5𝑇1 = 7 1 1 - Đáp ứng của bộ điều khiển PID: Độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập của các hệ thống: P PI PD POT 63.32 𝑛ℎỏ 0 **Nhận xét: - Đối với bộ điều khiển P: + Độ vọt lố POT cao + Thời gian quá độ tqđ cao + Sai số xác lập exl cao 10 - Đối với bộ điều khiển PI: + Giảm sai số xác lập exl + Tăng độ vọt lố POT + Tăng thời gian quá độ tqđ - Đối với bộ điều khiển PD: + Giảm độ vọt lố POT + Giảm thời gian quá độ tqđ + Không cải thiện sai số xác lập exl Bộ điều khiển PID là tốt nhất. Vì vừa giảm sai số xác lập exl, giảm độ vọt lố POT và giảm thời gian quá độ tqđ 11 BÀI 5: ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP BIẾN TRẠNG THÁI 4. Xây dựng mô hình hệ xe – lò xo: Để thực hiện tốt thí nghiê ̣m trên lớp, sinh viên cầ n chuẩn bi ̣trước phầ n lý thuyế t và thực hiê ̣n mô phỏng trên máy tính. Xây dựng mô hình Simulink để khảo sát đáp ứng ngõ ra của hê ̣ xe – lò xo như ở Hiǹ h 6.
Trong đó, khố i “Mass-Spring Damper” chứa mô hiǹ h hê ̣ xe – lò xo được xây dựng từ phương trình vi phân (1) và mô tả như ở Hiǹ h 7 với bảng thông số : a) Ta ̣o file mô hình simulink như ở Hình 6.