Tài liệu hướng dẫn thực tập hệ thống điều khiển tự động

Hãy xét tính ổn định của hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở là: Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp âm • Khi nhập hàm truyền G ta không nhập thông số K trong lệnh tf • L

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔ N TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -⸙∆⸙ -

Tài liệu hướng dẫn thực tập

hệ thống điều khiển tự động

Biên soạn:

Tp Hồ Chí Minh, 2021

Trang 2

Mục Lục

Danh sách hình ảnh 6

Ứng dụng Matlab trong mô tả toán học hệ thống 8

1.1 Mục đích thí nghiệm 8

1.2 Hướng dẫn 8

1.2.1 Các lệnh cơ bản 8

1.2.2 Một số lệnh mô tả toán học hệ thống điều khiển tự động 9

1.3 Yêu cầu thực hiện: 11

1.3.1 Hãy tìm hàm truyền của hệ thống có sơ đồ ở hình 1.1 và hình 1.2 11

1.3.2 Biểu diễn các hàm truyền trên bằng hệ phương trình biến trạng thái 11

1.3.3 Khi hàm truyền của hệ thống ở hình 1.3 được tính toán theo các hàm Matlab như sau: 12 1.4 Câu hỏi mở: 13

1.5 Tài liệu tham khảo 14

Ứng dụng Matlab trong khảo sát tính ổn định của hệ thống 15

2.1 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode 15

2.1.1 Mục đích thí nghiệm 15

2.1.2 Hướng dẫn 15

2.1.3 Yêu cầu thực hiện: 16

2.2 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Nyquist 16

2.3 Khảo sát hệ thống dùng phương pháp quĩ đạo nghiệm số 17

2.3.4 Gợi ý 18

2.4 Bài tập 19

2.5 Câu hỏi mở: 19

2.6 Tài liệu tham khảo: 19

Trang 3

Ứng dụng Matlab trong khảo sát chất lượng của hệ thống 20

3.5 Tài liệu tham khảo: 21

Ứng dụng Simulink trong mô phỏng và đánh giá chất lượng của hệ thống 23

4.3.1 Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ 27

4.3.2 Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ động cơ 29

4.4 Bài tập 31

Thực Hiện Mô Phỏng Bộ Điều Khiển Mờ 33

5.3 Hướng dẫn và tiến hành thí nghiệm 33

5.4 Bài tập 38

5.4.1 Điều khiển nhiệt độ 38

5.4.2 Điều khiển vị trí động cơ 38

5.5 Bài tập mở rộng 41

Khảo sát bộ điều khiển PID cho hệ thí nghiệm động cơ DC 42

6.2 Yêu cầu chuẩn bị: 42

6.3.1 Sơ đồ tổng quan 42

6.3.2 Sơ đồ kết nối 42

6.3.3 Mô hình thực tế 43

6.3.4 Kết Nối Và Chương Trình Sử Dụng 44

Trang 4

6.3.5 Chương trình mô hình động cơ 45

6.3.6 Thư Viện 47

6.4.1 Xây dựng bộ điều khiển vòng hở 51

6.4.2 Xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp PID 51

6.4.3 Khảo sát bộ điều khiển PID 52

6.4.4 Thiết kế bộ điều khiển PID 53

Khảo sát bộ điều khiển mờ cho hệ thí nghiệm động cơ DC 55

7.2 Yêu cầu chuẩn bị: 55

7.3.1 Giới thiệu về phần cứng 55

7.3.2 Giới thiệu về bộ điều khiển mờ cho động cơ DC 55

Khảo sát bộ điều khiển PID cho hệ lò nhiệt thực nghiệm 59

8.2 Kiến thức cơ bản: 59

8.3 Yêu cầu cần chuẩn bị 59

8.4.4 KẾT NỐI VÀ CHƯƠNG TRÌNH SỬ DỤNG 62

Trang 5

Khảo sát bội điều khiển PID cho đối tượng bồn nước đơn 69

9.2 Kiến thức cơ bản: 69

9.3.4 Kết Nối Và Chương Trình Sử Dụng 72

9.4 Thực nghiệm 77

9.4.1 Xây dựng mô hình điều khiển PID cho hệ bồn nước 77

9.4.2 Khảo sát bộ điều khiển PID 77

9.4.3 Thiết kế bộ điều khiển PID 78

Phụ lục A 80

Mạch điều khiển Arduino MEGA 2560 R3 80

IC điều khiển động cơ L298N 81

Giới thiệu cảm biến đo khoảng cách HC-SR04 83

Giới thiệu về bơm 385 83

Cảm biến SHARP (GP2Y0A21YK0F) 84

Phụ lục B 85

Hướng dẫn cài đặt thư viện Simulink Support Package for Arduino Hardware 85

Hướng dẫn thiết lập bộ điều khiển vòng hở có hồi tiếp trên MATLAB 85

Hướng dẫn vẽ nhiều dữ liệu trên cùng một đồ thị 89

Trang 6

Danh sách hình ảnh

Hình 1.1 Sơ đồ khối 1 12

Hình 2.1: Kết quả biểu đồ bode biên và bode pha 15

Hình 2.2: Hình ghi chú các giá trị trên biểu đồ Nyquist 17

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp âm 17

Hình 2.4 Biểu đồ QĐNS 18

Hình 3.1: Đáp ứng quá độ của hệ thống 20

Hình 4.1 Thư viện MATLAB Simulink 23

Hình 4.2 Các bước chọn lại thư mục làm viêc (current folder) 25

Hình 4.3 Cửa số khối scope 26

Hình 4.4 Cài đặt các thông số để xuất dữ liệu ra workspace 26

Hình 4.5 Đặc tính lò nhiệt 27

Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng lò nhiệt 28

Hình 4.7 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò nhiệt 28

Hình 4.8 Mô hình động cơ một chiều 30

Hình 4.9 Sơ đồ mô phỏng của động cơ một chiều 30

Hình 5.1 Giao diện bộ Fuzzy 33

Hình 5.2 Chức năng của các khối trong giao diện bộ mờ 34

Hình 5.3 Khai báo tên ngõ vào và ngõ ra 34

Hình 5.4 Tạo các tập mờ ngõ vào 35

Hình 5.5 Tạo các tập mờ ngõ ra 35

Hình 5.6 Tập mờ ngõ vào 36

Hình 5.7 Xây dựng luật mờ 36

Hình 5.8 Xuất hệ mờ 37

Hình 5.9 Sơ đồ bộ điều khiển nhiệt độ 37

Hình 5.10 Lấy khối Fuzzy Logic Control 37

Hình 5.11 Nhập file mờ bào khối fuzzy logic control 38

Hình 5.12 Sơ đồ mô phỏng của động cơ một chiều với bộ điều khiển mờ 39

Hình 5.13: Các tập mờ của ngõ vào sai số 39

Trang 7

Hình 5.14: Các tập mờ của ngõ vào tốc độ thay đổi của sai số 39

Hình 5.15: Các tập mờ ngõ ra của bộ điều khiển mờ 40

Hình 6.2: Sơ dồ khối bộ điều khiển vòng hở không có hồi tiếp 51

Hình 6.3: Sơ đồ khối bộ điều khiển vòng kín PID 52

Hình 7.1: Sơ đồ kết nối của hệ thống điều khiển động cơ DC 55

Hình 7.2: Sơ đồ bộ điều khiển mờ 56

Hình 7.3: Các tập mờ của ngõ vào sai số 56

Hình 7.4: Các tập mờ của ngõ vào tốc độ thay đổi của sai số 56

Hình 7.5: Các tập mờ ngõ ra của bộ điều khiển mờ 57

Hình 9.1 Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm bồn nước 77

Trang 8

Ứng dụng Matlab trong mô tả toán học hệ

thống 1.1 Mục đích thí nghiệm

Dùng Matlab tìm hàm truyền và hệ phương trình biến trạng thái của các hệ thống điều khiển tự động

• Biểu diễn ma trận, véc tơ, đa thức

• Đa thức được biểu diễn là véc tơ hàng với các phần tử là các hệ số sắp xếp theo thứ

tự số mũ giảm dần

Trang 9

• Nhân hai đa thức dùng lệnh conv (convolution – tích chập)

1.2.2 Một số lệnh mô tả toán học hệ thống điều khiển tự động

• Tạo ra hệ thống mô tả bởi hàm truyền: lệnh tf (transfer function)

Cú pháp G=tf(TS, MS) : tạo ra hệ thống có hàm truyền G có tử số là đa thức tử

số và mẫu số là đa thức MS

• Đơn giản hàm truyền: lệnh minreal

Cú pháp G=minreal(G): triệt tiêu các thành phần giống nhau ở tử số và mẫu số

để được dạng hàm truyền tối giản

• Tính hàm truyền của hệ thống nối tiếp: lệnh series

Cú pháp G=series(G1, G2): hàm truyền G = G1* G2

Chú ý: có thể dùng toán tử “*” thay cho lệnh series

Trang 10

• Tính hàm truyền của hệ thống song song: lệnh parallel

Cú pháp G=parallel(G1,G2) : hàm truyền G=G1+G2

Chú ý: có thể dùng toán tử “+ ” thay cho lệnh parallel

• Tính hàm truyền của hệ thống hồi tiếp : lệnh feedback

Cú pháp: Gk= feedback(G,H) : tính hàm truyền của hệ thống hồi tiếp âm

• Tạo ra hệ thống mô tả bằng phương trình trạng thái: lệnh ss (state space)

Cú pháp HPT=ss(A,B,C,D) : tạo ra hệ thống mô tả bởi hệ phương trình trạng thái HPT có các ma trận trạng thái là A, B, C, D

• Biến đổi mô tả toán học từ dạng hệ phương trình trạng thái về dạng hàm truyền :

lệnh tf (transfer function)

Cú pháp : G=tf(HPT)

Trang 11

• Biến đổi mô tả toán học từ dạng hàm truyền về dạng hệ phương trình biến trạng

thái : lệnh ss (state space)

Cú pháp: HPT=ss(HT)

1.3 Yêu cầu thực hiện:

1.3.1 Hãy tìm hàm truyền của hệ thống có sơ đồ ở hình 1.1 và hình 1.2

a Tính toán bằng lý thuyết

b Sử dụng các hàm trong matlab

1.3.2 Biểu diễn các hàm truyền trên bằng hệ phương trình biến trạng thái

a Biến đổi hàm truyền trên về hệ phương trình biến trạng thái bằng lý thuyết

b Dùng các hàm trong matlab để thực hiện biến đổi trên

Trang 12

Hình 1.1 Sơ đồ khối 1

Hình 1.2 Sơ đồ khối 2 Các hàm truyền được định nghĩa như sau:

𝐺1 = 5; 𝐺3 = 𝐺5 = 𝑠; 𝐺6 = 𝑠 + 2; 𝐻1 = 1; 𝐺2 = 𝐺4 = 1

𝑠+1; 𝐻3 = 3

1+4𝑠; 𝐻2 = 1

𝑠

1.3.3 Khi hàm truyền của hệ thống ở hình 1.3 được tính toán theo các hàm

Matlab như sau:

+

Hình 1.3 Sơ đồ khối 3 Các hàm truyền con được cho như sau:

Trang 13

a Hãy giải thích các hàm matlab trong quá trình tính toán trên

b Á p dụng các hàm trên để tính hàm truyền của hình 1.1 và hình 1.2

1.4 Câu hỏi mở:

1 Tại sao phải đơn giản hàm truyền của hệ thống?

Trang 14

2 Khi chuyển đổi phương trình vi phân hay phương trình biến trạng thái về hàm truyển thì điều kiện nào là cần thiết?

3 Ý nghĩa của việc mô tả mô hình của hệ thống là gì?

1.5 Tài liệu tham khảo

- “Lý thuyết Điều khiển tự động”, Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, NXB ĐHQG TPHCM

- “Bài giảng Điều khiển tự động”, Nguyễn Thế Hùng

- “MATLAB for Control System Engineers” Rao V Dukkipati

- “MATLAB for Control Engineers” Katsuhiko Ogata

Trang 15

Ứng dụng Matlab trong khảo sát tính ổn định

của hệ thống 2.1 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode

• Vẽ biểu đồ Bode của hệ hở G trong khoảng tần số (a,b) : lệnh bode(G,{a,b})

• Tạo lưới trong cửa sổ Figure : lệnh grid on Nếu không muốn tạo lưới : lệnh grid off

• Ví dụ : vẽ biểu đồ Bode của hàm truyền

Trang 16

o Cách 2: Vào Edit>>Copy figure Sau đó paste vào file word

o Lưu ý: Sinh viên có thể vào mục View>> Properties Editor để điều chỉnh

màu của đường thẳng và kích thước của chữ

• Vẽ đáp ứng của hệ với đầu vào là hàm nấc đơn vị trong khoảng thời gian (0, T):

lệnh step(Gk,T), trong đó Gk là hàm truyền vòng kín của hệ thống Lưu ý hàm

truyền G(s) đã cho là hàm truyền vòng hở, nên để vẽ đáp ứng quá độ trước tiên ta

phải tính hàm truyền vòng kín bằng lệnh feedback(G,1), sau đó mới vẽ đáp ứng

• Lệnh tính và hiển thị độ dự trữ cùng biểu đồ Bode: lệnh margin(G)

2.1.3 Yêu cầu thực hiện:

Khảo sát hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở là G(s)

c Hãy xét tính ổn định của hệ thống kín, giải thích

d Hãy vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống trên với đầu vào là hàm nấc đơn vị trong khoảng thời gian t=0÷10s để minh họa kết luận ở câu c Lưu hình vẽ này để báo cáo

e Với K=400 thực hiện lại các yêu cầu từ câu a→d

2.2 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Nyquist

2.2.1 Mục đích thí nghiệm

Từ biểu đồ Nyquist của hệ hở G(s), tìm tần số cắt biên,pha dự trữ, tần số cắt pha, biên dự trữ Dựa vào kết quả tìm được để xét tính ổn định của hệ hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở là G(s)

2.2.2 Hướng dẫn

• Vẽ biểu đồ Nyquist của hệ thống G: lệnh nyquist(G)

• Tínhlogarit cơ số 10: lệnh log10

1 Khảo sát hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở là G(s)

(𝑠 + 0.2)(𝑠2+ 8𝑠 + 20)

a Với K=10, hãy vẽ biểu đồ Nyquist của hệ thống

b Dựa vào biểu đồ Nyquist tìm pha dự trữ, biên dự trữ (theo dB) So sánh với kết quả ở câu 2.1.2 Lưu biểu đồ Bode thành file *.bmp, chèn vào file word để viết báo cáo

Lưu ý: Phải chỉ rõ các giá trị tìm được trong biểu đồ Nyquist

Trang 17

Hình 2.2: Hình ghi chú các giá trị trên biểu đồ Nyquist

c Hãy xét tính ổn định của hệ thống kín, giải thích

d Với K=400 thực hiện lại các yêu cầu từ câu a→c

2 Hãy xét tính ổn định của hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở là:

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp âm

• Khi nhập hàm truyền G ta không nhập thông số K trong lệnh tf

• Lệnh vẽ QĐNS hệ hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở G: lệnh rlocus(G)

• Sử dụng lệnh kẻ lưới: lệnh grid on

• Để tìm Kgh ta nhấp chuột vào vị trí giao điểm của QĐNS với trục ảo

• Gain : giá trị độ lợi K tại vị trí nhấp chuột

• Pole : cực của hệ thống vòng kín tương ứng với giá trị K

Trang 18

• Damping : hệ số giảm chấn ξ

• Overshoot : độ vọt lố σmax%

• Frequency : tần số dao động tự nhiên ωn

• Muốn tìm K có tần số dao động tự nhiên là 4 ta nhấp chuột tại vị trí giao điểm của QĐNS với đường tròn tâm O bán kính là 4 Chọn giao điểm gần trục ảo để giá trị

Khảo sát hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở là G(s)

(𝑠+0.2)(𝑠 2 +8𝑠+20), K ≥ 0

a Hãy vẽ quĩ đạo nghiệm số (QĐNS) của hệ thống Dựa vào QĐNS tìm Kgh của

hệ, chỉ rõ giá trị này trên hình Lưu QĐNS thành file *.bmp để báo cáo

Trang 19

• Gain: giá trị độ lợi K tại ví trí nhấp chuột

• Pole: cực của hệ thống vòng kín tương ứng với giá trị K

• Dampling : hệ số tắt

• Overshoot: độ vọt lố

• Frequence: tần số dao động tư nhiên

• (A): Vòng tròn các điểm có cùng tần số dao dộng tự nhiên ωn=4

a Hãy vẽ quĩ đạo nghiệm số (QĐNS) của hệ thống Dựa vào QĐNS tìm Kgh của

hệ, chỉ rõ giá trị này trên hình Lưu QĐNS thành file *.bmp để báo cáo

b Tìm K để hệ thống có tần số dao động tự nhiên ωn = 4

c Tìm K để hệ thống có hệ số giảm chấn ξ = 0.7

d Tìm K để hệ thống có độ vọt lố σmax% = 25%

e Tìm K để hệ thống có thời gian xác lập (tiêu chuẩn 2%) txl = 4s

Khảo sát hệ thống trên bằng biều đồ bode và Nyquist khi 𝐾 =𝐾𝑔ℎ

2

1 So sánh các phương pháp khảo sát hệ thống điều khiển

2 Khi nào sử dụng các phương pháp khảo sát hệ thống điều khiển?

3 Chỉ ra mối liên hệ giữa biểu đồ Bode và Nyquist

4 Giải thích vì sao muốn tìm K có txl =4, tương ứng có ξωn =1 ta nhấp chuột tại vị trí giao điểm của QĐNS với đường thẳng song song với trục tung cắt trục hoành tại -1

5 Giải thích vì sao muốn tìm K có tần số dao động tự nhiên là 4 ta nhấp chuột tại vị trí giao điểm của QĐNS với đường tròn tâm O bán kính là 4 Chọn giao điểm gần trục ảo để giá trị K này làm hệ thống có tính dao động

6 Giải thích vì sao muốn tìm K có hệ số giảm chấn là 0.7 ta nhấp chuột tại vị trí giao điểm của QĐNS với đường thẳng đi qua gốc O có ξ=0.7

2.6 Tài liệu tham khảo:

Trang 20

Ứng dụng Matlab trong khảo sát chất lượng

của hệ thống 3.1 Mục đích thí nghiệm

Khảo sát đặc tính quá độ của hệ thống với đầu vào là hàm nấc để tìm độ vọt lố và sai số xác lập của hệ thống

3.2 Hướng dẫn

• Lệnh vẽ đáp ứng quá độ khi đầu vào là hàm nấc đơn vị: lệnh step(Gk, T)

• Hàm truyền ở bài 2 là hàm truyền vòng hở nên trước tiên ta phải chuyển về hàm

truyền vòng kín bằng lệnh Gk=feedback(70*G,1) với K=70 và lệnh step(Gk,T)

Hình 3.1: Đáp ứng quá độ của hệ thốngĐáp ứng quá độ hiển thị như hình vẽ Để hiển thị các chú thích về độ vọt lố, thời gian xác lập ta nhấp chuột phải Với menu hiện ra:

• Peak Responese: tìm POT

• Settling time: txl

• Rise time: thời gian lên

Có thể chọn Grid để dễ dàng cho việc tính toán các giá trị Sau khi vẽ xong hình thứ nhất,

sử dụng lệnh hold on để giữ hình, sau đó nếu tiếp tục vẽ hình thì hình lần sau sẽ không xoá

mất hình vẽ thứ nhất

Yêu cầu 1: Khảo sát hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở là G(s)

Trang 21

, K ≥ 0

a Với giá trị Kgh đã tìm được ở trên hãy vẽ đáp ứng quá độ với đầu vào là hàm nấc đơn vị Kiểm chứng lại ngõ ra có dao động không?

b Với giá trị K đã tìm được ở câu 2.3.3 d bài thí nghiệm số 2, hãy vẽ đáp ứng quá

độ của hệ thống kín với đầu vào hàm nấc đơn vị trong khoảng thời gian từ 0÷5s Tìm độ vọt lố và sai số xác lập của hệ thống Kiểm chứng lại hệ thống có σmax% = 25% không?

c Với giá trị K đã tìm được ở câu 2.3.3 e bài thí nghiệm số 2, hãy vẽ đáp ứng quá

độ của hệ thống kín với đầu vào hàm nấc đơn vị trong khoảng thời gian từ 0÷5s Tìm độ vọt lố và sai số xác lập của hệ thống Kiểm chứng lại hệ thống có txl = 4s không?

d Vẽ hai đáp ứng quá độ của câu b và c trên cùng một hình vẽ Chú thích trên hình vẽ đáp ứng nào tương ứng với K đó

Yêu cầu 2: Khảo sát hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở là G(s)

𝑠(𝑠 + 5)(𝑠2+ 3𝑠 + 9), 𝐾 ≥ 0

a Với giá trị Kgh đã tìm được ở trên hãy vẽ đáp ứng quá độ với đầu vào là hàm nấc đơn vị Kiểm chứng lại ngõ ra có dao động không?

b Với giá trị K đã tìm được ở câu 2.4 d bài thí nghiệm số 2, hãy vẽ đáp ứng quá

độ của hệ thống kín với đầu vào hàm nấc đơn vị trong khoảng thời gian từ 0÷5s Tìm độ vọt lố và sai số xác lập của hệ thống Kiểm chứng lại hệ thống có σmax% = 25% không?

c Với giá trị K đã tìm được ở câu 2.4 e bài thí nghiệm số 2, hãy vẽ đáp ứng quá

độ của hệ thống kín với đầu vào hàm nấc đơn vị trong khoảng thời gian từ 0÷5s Tìm độ vọt lố và sai số xác lập của hệ thống Kiểm chứng lại hệ thống có txl = 4s không?

d Vẽ hai đáp ứng quá độ của câu b và c trên cùng một hình vẽ Chú thích trên hình vẽ đáp ứng nào tương ứng với K đó

1 Tại sao chúng ta phải khảo sát chất lượng của hệ thống?

2 Những hệ thống nào có sai số xác lập bằng 0 với tín hiệu ngõ vào là hàm nấc?

3 Những hệ thống nào có sai số xác lập bằng 0 với tin hiệu ngõ vào là hàm ramp?

4 Hãy miêu tả đáp ứng của hệ thống khi hệ thống có cặp cực quyết định nằm ở trực thực của quỹ đạo nghiệm số

5 Hãy miêu tả đáp ứng của hệ thống khi hệ thống có cặp cực quyết định nằm ở trực

ảo của quỹ đạo nhiệm số

3.5 Tài liệu tham khảo:

)208)(

2.0()

+++

=

s s s

K s

G

Trang 22

Trang 23

Ứng dụng Simulink trong mô phỏng và đánh

giá chất lượng của hệ thống 4.1 Mục đích thí nghiệm

Dùng công cụ Simulink của Matlab để mô hình hóa các đối tượng Sau đó tiến hành mô phỏng để khảo sát ảnh hưởng của bộ điều khiển đến chất lượng đáp ứng của hệ thống

4.2 Hướng dẫn

Sau khi khởi động Matlab 6.5 ta gõ lệnh simulink hoặc nhấn vào nút trên thanh công

cụ thì thư viện SIMULINK hiện ra

Hình 4.1 Thư viện MATLAB SimulinkCác khối được sử dụng trong bài thí nghiệm

Khối nguồn (tín hiệu vào)

Trang 24

Các khối tải, thiết bị khảo sát ngõ ra

Các khối xử lý, khối động học

Các bước tiến hành xây dựng một chương trình mô phỏng dùng SIMULINK:

Bước 1: Sau khi khởi đông chương trình MATLAB, hãy chọn lại thư mục làm việc

(Current folder) bằng cách thực hiện các bước như sau:

Trang 25

Hình 4.2 Các bước chọn lại thư mục làm viêc (current folder)

Bước 2: Sau đã chọn lại thư mục làm việc ta gõ lệnh simulink hoặc nhấn vào nút trên

thanh công cụ thì cửa sổ Simulink start page hiện ra Chọn Blank Model để tạo ra một

file mới

Bước 3: Sau khi file Simulink đã được khởi tạo, ta tiến hành cấu hình lại file mô phỏng Chọn Simulation>> Model configuration parameters (Ctrl + E) Phần cấu hình cho file

mô phỏng hiện ra:

- Chọn Solver >> Solver options>> Type: Fixed-step

- Chọn Additional options>> Fixed-step size (sample time): 0.01

- Chọn OK

Sau khi thực hiện xong các bước trên tiến hành lưu (Save as) file với tên BT4.xls

Bước 4: Trên thanh công cụ (tool box) của file mô phỏng, ta chọn đê mở thư viện

MATLAB Simulink Kích chuột vào các thư viện để chọn khối cần tìm Kích chuột trái

vào các khối này, sau đó kéo và thả vào cửa sổ ứng dụng vừa mới tạo ra Kích đúp chuột trái vào các khối này để cài đặt các thông số

3 Viết chú thích trong cửa sổ ứng dụng bằng cách nhấp đúp chuột vào một vị trí trống

và viết câu chú thích vào Muốn định dạng kiểu chữ của câu chú thích thì vào menu Format / Font

4 Chạy mô phỏng bằng cách vào menu Simulation / Start hoặc nhấp chuột vào Khi thời gian mô phỏng bằng giá trị Stop time thì quá trình mô phỏng dừng lại Trong quá trình mô phỏng nếu muốn dừng nửa chừng thì vào menu Simulation / Stop hoặc nhấp chuột vào

5 Sau khi chạy xong mô phỏng, muốn xem đáp ứng ngõ ra ta nhấp đúp chuột trái vào khối Scope Cửa sổ Scope hiện ra như Hình 4.3 Để dễ dàng cho việc quan sát ta sẽ thay đổi một số thuộc tính hiển thị của khối scope như sau:

Trang 26

Hình 4.3 Cửa số khối scope

o Tạo nhãn (label) cho trục X: View>>Configuration properties>>Time >> Time unit: (Seconds) và chọn Show time-axis label → nhấn Apply

o Tạo nhãn (label) cho trục Y: Configuration label: đặt tên bất kỳ cho trục Y và chọn Show legend → nhấn Ok.

properties>>Display>>Y-o Đổi hình nền trắng cho Scope: View>>Style: Chọn Figure Color (màu trắng), Axes color (Trắng và đen) Chọn màu cho các đường vẽ trên scope Properties for line: Channel 1, Line: solid line, 1, black

6 Khối Scope chỉ cho xem đáp ứng hoặc in trực tiếp ra màn hình chứ không lưu hình dưới định dạng file *.bmp Do đó ta phải chuyển Scope này sang cửa sổ Figure để lưu Thực hiện điều này bằng cách nhấp chuột vào menu Parameters Cửa sổ Parameters hiện ra và tiến hành cài đặt thông số như Hình 4.4

Hình 4.4 Cài đặt các thông số để xuất dữ liệu ra workspaceTiến hành mô phỏng lại để lưu tín hiệu vào biến ScopeData Lưu ý rằng sau khi khai báo mà không thực hiện mô phỏng lại thì tín hiệu chưa lưu vào biến ScopeData mặc dù trong khối Scope vẫn có hình vẽ

Sau đó vào cửa sổ Command Window nhập lệnh như sau:

>> plot(data.time,data.signals.values);

Trang 27

8 Cách thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Zeigler- Nichols theo sách Lý thuyết Điều khiển tự động (tác giả Nguyễn Thị Phương Hà- Huỳnh Thái Hoàng) trang 209

9 Cách thiết kế bộ điều khiển PID theo tiêu chuẩn modul tối ưu sinh viên có thể tham khảo sách Điều chỉnh tự động truyền động điện (NXB Khoa học kỹ thuật) trang 18

Có thể tóm gọn phương pháp này với đối tượng động cơ như sau:

Nếu đối tượng có hàm truyền như sau:

(1 + 𝑇1𝑠)(1 + 𝑇2𝑠)Trong đó T1 < T2

Theo tiêu chuẩn mô đun tối ưu thì bộ điều khiển PI có dạng

𝐺𝑃𝐼(𝑠) = 𝑇2

2𝐾𝑇1+

12𝐾𝑇1𝑠

4.3.1 Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ

Cho đặc tính lò nhiệt như Hình 4.5

Hình 4.5 Đặc tính lò nhiệt

a Hãy xác định hàm truyền gần đúng của lò nhiệt

0 50 100 150 200 250

Trang 28

b Dùng Simulink xây dựng mô hình điều khiển vòng hở lò nhiệt như Hình 4.6

Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng lò nhiệtTrong đó:

• Step: là tín hiệu hàm nấc thể hiện phần trăm công suất cung cấp cho lò nhiệt Giá trị của hàm nấc biến thiên từ 0÷1 tương ứng công suất cung cấp biến thiên từ 0% ÷ 100%

• Transfer Fcn và Transport Delay: mô hình lò nhiệt được tuyến tính hóa ở câu a Khâu Transport Delay là khâu trễ

• Chỉnh giá trị của hàm nấc là 1 (tương ứng công suất cung cấp cho lò nhiệt là 100%) (Step time = 0, Initial time = 0, Final time = 1) Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 600s Mô phỏng và vẽ quá trình quá độ của hệ trên

• Trên hình vẽ của câu trên vẽ tiếp tuyến tại điểm uốn để tính thông số T1, T2 So sánh với đặc tính của lò nhiệt ở hình 1

c Hãy thiết kế bộ điều khiển PID cho lò nhiệt dùng phương pháp Zeigler-Nichols

d Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ như Hình 4.7

Hình 4.7 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID cho lò nhiệtTrong đó:

- Tín hiệu đặt đầu vào là hàm nấc đơn vị r(t)=100 tương ứng nhiệt độ mong muốn là 100oC

- Khâu bão hòa Saturationcó giới hạn là Upper limit = 1 và Lower limit = 0 nghĩa là ngõ ra của bộ điều khiển có công suất cung cấp từ 0% đến 100%

- Bộ điều khiển PID có các thông số đã tính toán ở câu c

- Đối tượng lò nhiệt có hàm truyền đã tinh toán ở câu a

MO HINH KHAO SAT VONG HO

Transport Delay

K T.s+1 Transfer Fcn

Trang 29

d.1 Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển P ( kI = 0, kD = 0 )

• Trình bày đáp ứng ngõ ra của hệ thống tương ứng với từng thông số bộ điều khiển

trên một đồ thị (xem link 3 và 4 trong tài liệu tham khảo)

• Trình bày sai số ngõ ra của hệ thống tương ứng với từng thông số bộ điều khiển

• Tìm độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian quá độ theo bảng sau

• Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi kp thay đổi Giải thích

d.2 Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PI ( kp = 0.024, kD = 0 )

• Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi kI thay đổi Giải thích

d.3 Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PD ( kp = 0.024, kI = 0 )

• Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi kD thay đổi Giải thích

• So sánh chất lượng của bộ điều khiển PID với bộ điều khiển P, PI

d.4 Nhận xét ảnh hưởng của các khâu P, I, D đến chất lượng của hệ thống

4.3.2 Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ động cơ

Trang 30

Động cơ một chiều được sử dụng khá phổ biến trong các hệ điều khiển nhờ đặc tính cơ là tuyến tính, tầm điều chỉnh vận tốc rộng

Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều như sau:

Hình 4.8 Mô hình động cơ một chiều Trong đó : L: điện cảm của cuộn dây stato, R: điện trở của cuộn dây stato, i: dòng điện chạy trong cuộn dây stato, U: điện áp cung cấp cho động cơ, T: momen quay, 𝜔: vận tốc góc, 𝐾𝑓: hệ số ma sát, 𝐾𝑚: hằng số momen 𝐾𝑚, 𝐾𝑏: hằng số suất điện động 𝐾𝑏, J: momen quán tính của các phần chuyển động

c Từ hàm truyền tìm được ở câu b, hãy thiết kế bộ điều khiển PI theo tiêu chuẩn modun tối ưu

d Xây dựng mô hình điều khiển tốc độ động cơ như sau: (Xem link 1 và 2 trong phần tham khảo)

Hình 4.9 Sơ đồ mô phỏng của động cơ một chiều Trong đó:

- Tín hiệu đặt đầu vào là hàm nấc đơn vị r(t)=200 tương ứng tốc độ mong muốn là

200

- Bộ điều khiển PID có các thông số đã tính toán ở câu c (kD=0)

- Động cơ có hàm truyền đã tính toán ở câu b

- Thời gian mô phỏng Stop Time = 10s

d.1 Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển P ( kI = 0, kD = 0 )

Trang 31

• Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi kp thay đổi Giải thích

d.2 Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PI ( kp = 33.323, kD = 0 )

• Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi kI thay đổi Giải thích

Đánh giá những ưu khuyết điểm của hai phương pháp mô tả đối tượng: hàm truyền

và kỹ thuật không gian trạng thái Minh chứng bằng mô phỏng

2 Đánh giá chất lượng hệ thống trong mô hình điều khiển tốc độ động cơ khi có momen tải (Mc=0.01) với bộ điều khiển PI đã thiết kế khi không có momen tải

3 Trong mô hình điều khiển nhiệt độ, hàm truyền của đối tượng lò nhiệt có thể được

mô tả bởi một khâu quán tính và một khâu trễ hoặc bởi hai khâu quán tính Hãy mô

tả lò nhiệt theo cách 2 và thiết kế bộ điều khiển PID tương ứng Đánh giá chất lượng điều khiển bằng mô phỏng

4.5 Tài liệu tham khảo

- Link mô phỏng động cơ DC dựa vào phương trình vi phân trong MATLAB Simulink: https://www.youtube.com/watch?v=Bp3rtbVytNg

Trang 32

- Link mô phỏng động cơ DC dựa vào hàm truyền của hệ thống trong MATLAB Simulink: https://www.youtube.com/watch?v=dqgQZrK4zyw&t=711s

- Link hướng dẫn vẽ đồ thị trên khối Scope trong MATLAB Simulink:

Trang 33

Thực Hiện Mô Phỏng Bộ Điều Khiển Mờ 5.1 Mục đích thí nghiệm

Dùng simulink để mô phỏng bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ của phòng bằng cách thay đổi vận tốc quạt

Thực hiện công việc theo hướng dẫn

5.3 Hướng dẫn và tiến hành thí nghiệm

Trên màn hình matlab, thực hiện lệnh sau:

Lúc này xuất hiện giao diện sau:

Hình 5.1 Giao diện bộ Fuzzy Lúc này, xuất hiện giao diện sau:

Trang 34

Hình 5.2 Chức năng của các khối trong giao diện bộ mờ (Nếu khối mờ có 2 ngõ vào hay ngõ ra, ta chọn Edit/Add Variables/ để thêm ngõ ra hay ngõ vào cho phù hợp)

Chọn cách khai báo tên cho input, output cho phù hợp

Hình 5.3 Khai báo tên ngõ vào và ngõ ra Nhấn đúp vào khối “nhietdo” để khai báo việc mờ hoá dữ liệu:

Trang 36

Hình 5.6 Tập mờ ngõ vào Khai báo thêm các biến mờ và các hàm liên thuộc mờ ngõ ra như sau:

2 Ngõ ra (vận tốc quạt):

- Zero: 0m/s

- Chậm: 300m/s

- Nhanh: 600m/s

Tiếp theo, ta khai báo hệ qui tắc mờ như sau:

Nhấp đúp vào khối trắng ở giữa (khối “khai báo hệ qui tắc mờ” ở trên) Ta sẽ có màn hình xuất hiện như sau:

Hình 5.7 Xây dựng luật mờ Khai báo các quy tắc mờ có ý nghĩa sau:

- Nếu nhiệt độ là “cold” thì vận tốc quạt là “zero”

- Nếu nhiệt độ là “medium”thì vận tốc quạt là “slow”

- Nếu nhiệt độ là “hot” thì vận tốc quạt là “fast”

Để tạo 1 khối thực hiện luật mờ từ ngõ vào, xuất ra ngõ ra, ta thực hiện thao tác sau:

Trang 37

Hình 5.8 Xuất hệ mờ

Bạn chọn đường dẫn để lưu file là D:\bai5

Sau đó, bạn hãy tạo 1 thư mục Lưu ý, nếu bạn ở nhóm 1, sáng thứ 6, bạn hãy tạo thư mục

“n1_s6” Nếu bạn ở nhóm 2, chiều thứ 7, bạn hãy lưu lại tên như sau:”n2_c7” Hãy lưu file

có đuôi fis vừa tạo vào thư mục đó(Lưu ý, tên file m có các yêu cầu sau: không cách khoảng, không bắt đầu bằng số hay các dấu !,+,=… ) “Set path” đường dẫn matlab để matlab có thể đọc được file đó

Tiếp theo, vào simulink, vẽ sơ đồ sau, lưu lại với tên “bai6” trong thư mục đã tạo để lưu file fis trước đó:

Hình 5.9 Sơ đồ bộ điều khiển nhiệt độ Trong đó, khối “Fuzzy Logic Control” được chọn như sau:

Hình 5.10 Lấy khối Fuzzy Logic Control

Trang 38

Quay trở lại sơ đồ Simulink, ta nhấn đúp vào khối “Fuzzy logic Control” Lúc này, bảng sau sẽ hiện ra:

Hình 5.11 Nhập file mờ bào khối fuzzy logic control Xong, ta nhấn Ok

Lần lượt thay đổi nhiệt độ của phòng để xem vận tốc quạt tương ứng

5.4 Bài tập

Dùng simulink với khối fuzzy thực hiện bài tập sau:

5.4.1 Điều khiển nhiệt độ

Để điều khiển tự động máy điều hòa nhiệt độ bằng kỹ thuật logic mờ, người ta dùng hai

cảm biến: Trong phòng là cảm biến nhiệt T i , bên ngoài là cảm biến nhiệt T0 Việc điều hòa

nhiệt độ thông qua điều khiển tốc độ quạt làm lạnh máy điều hòa Biết rằng:

- Tầm nhiệt độ quan tâm là [00C – 500C];

- Tốc độ quạt là v  [0 – 600 vòng/phút]

- Ti,To: {Lạnh, Vừa, Nóng) tương ứng với {20, 25, 300C)

- V: {Zero, Chậm, Trung bình, Nhanh, Max) tương ứng với {0, 150, 300, 450, 600 vòng/phút}

- Chọn các biến ngôn ngữ: Ti, To: {Rất lạnh, Lạnh, Vừa, Nóng, Rất nóng} tương ứng với các nhiệt độ{15,20,25,30,35}

- Tốc độ quạt vẫn là: {Zero, Chậm, Trung bình, Nhanh, Max}

To

Ti Rất lạnh Lạnh Vừa Nóng Rất nóng

Rất lạnh Zero Zero Zero Chậm TB

Hãy tính tốc độ quạt trong trường hợp sau: Ti = 270C; T0 = 320C

5.4.2 Điều khiển vị trí động cơ

Hàm truyền của DC motor với ngõ vào là điện áp và ngõ ra là vị trí khi không có tải:

Trang 39

Hình 5.12 Sơ đồ mô phỏng của động cơ một chiều với bộ điều khiển mờ

Hàm mờ ngõ vào và ra đã chuẩn hóa từ -1 tới 1

Hình 5.13: Các tập mờ của ngõ vào sai số

Hình 5.14: Các tập mờ của ngõ vào tốc độ thay đổi của sai số

Trang 40

Hình 5.15: Các tập mờ ngõ ra của bộ điều khiển mờ Phương pháp mờ hóa và suy diễn mờ là Max-min

Phương pháp giải mờ là: phương pháp tính toán trọng tâm

Các luật mờ được tóm tắt như sau:

1 Trình bày các bước xây dựng bộ điều khiển mờ

2 Chọn K3=240, K2=0 Thay đổi thông số K1 khảo sát độ vọt lố, sai số xác lập, thời

gian lên, thời gian xác lập Lưu ý: Sinh viên ghép các đáp ứng ngõ ra trên cùng một đồ

3 Chọn K3=240, K1=1/100 Thay đổi thông số K1 khảo sát độ vọt lố, sai số xác lập,

thời gian lên, thời gian xác lập Lưu ý: Sinh viên ghép các đáp ứng ngõ ra trên cùng

Tiêu đề	Tài liệu hướng dẫn thực tập hệ thống điều khiển tự động
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Hệ Thống Điều Khiển Tự Động
Thể loại	Tài liệu hướng dẫn
Năm xuất bản	2021
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	6 MB