báo cáo thí nghiệm lý thuyết điều khiển

ĐIÀU KHIÂN Vâ TRÍ ĐÞNG CƠ SỬ DỤNG BÞ ĐIÀU KHIÂN Tà LÞ VÀ BÞ ĐIÀU KHIÂN Vâ TRÍ K¾T HỢP TÞC ĐÞ Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ biết cách thiết kế bộ điều khiển tỉ lệ

TRƯàNG Đ¾I HÞC BÁCH KHOA HÀ NÞI

TRƯàNG ĐIÞN – ĐIÞN TỬ

BÁO CÁO THÍ NGHIÞM

LÝ THUY¾T ĐIÀU KHIÂN – EE3286

Hß và tên: Phạm Tiến Đạt

Lßp - khóa: Cơ Khí Hàng Không – K64

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2022

BÀI 1 XÂY DỰNG HÀM TRUYÀN TÞC ĐÞ CHO ĐÞNG CƠ

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ có thể cài đặt bộ thí nghiệm QUBE-Servo 2

và xác định được hàm truyền tốc độ của động cơ dựa trên đáp ứng bước nhảy.

II CƠ Sâ LÝ THUY¾T CHUNG VÀ CÂU HàI KIÂM TRA

Cho khâu quán tính bậc nhất:

- Tại sao ta lại có hệ số 0.632 trong công thức tính ở trên?

- Từ đâu ta có công thức tính þ như trên?

III THI¾T Bâ CẦN THI¾T

Hình 1.2 Danh mục các thiết bị bao gồm: (1) động cơ QUBE – Servo 2 tích hợp module truyền thông QFLEX 2 USB, (2) module đĩa tải nặng, (3) Module con lắc, (4) Cáp USB 2.0 A/B, (5)

Nguồn điện 24V, 2.71A, (6) Dây cáp điện, (7) Hướng dẫn sử dụng

IV CÀI ĐẶT THI¾T Bâ

Bước 1: Đặt module động cơ (1) trên một mặt phẳng sao cho module không bị cản trở

chuyển động khi thí nghiệm

Bước 2: Kết nối đĩa tải (2) với module động cơ (1)

Bước 3: Nối nguồn 24V (5) và cáp USB (4) vào module (1) Đèn Power sẽ sáng xanh nếu

không có lỗi

Bước 4: Chờ máy tính cài driver cho module Khi hoàn thành, đèn USB sẽ sáng xanh

V TRÌNH TỰ TI¾N HÀNH THÍ NGHIÞM

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống trong Matlab/Simulink

1 Mở mô hình Simulink đã có trong máy tính Với khâu Step, chọn đặt điện áp 2V lên động

cơ servo Click đúp vào HIL Initialize block và chọn thiết bị đang được sử dụng

2 Sau đó chọn nút Build Model ở thanh công cụ của Simulink

3 Khi mô hình đã được dịch xong thành code nhúng, chọn nút Connect to Target

4 Cuối cùng, chọn nút Run để bắt đầu chạy mô hình với thời gian thực Khi muốn kết thúc

mô hình, chọn nút Stop trong Simulink

5 Vẽ đáp ứng tốc độ và điện áp đặt lên động cơ sử dụng MATLAB

6 Tìm hệ số khuếch đại tĩnh dựa trên đáp ứng bước nhảy

45.88682

8 Kiểm tra xem hệ số khuếch đại và hằng số thời gian có đúng không? Điều chỉnh sơ đồ gồm

cả khâu quán tính bậc nhất như hình 1.5 Nối đáp ứng đo được và đáp ứng mô phỏng vào

khối hiển thị thông qua một khối dồn kênh

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống kiểm tra hàm truyền

9 Chỉnh định các tham số mô hình sao cho phù hợp và giải thích

*

0.181

 =

10 Dừng bộ điều khiển Quarc

11. Ngắt nguồn cấp cho Qube – Servo 2

BÀI 2 ĐIÀU KHIÂN Vâ TRÍ ĐÞNG CƠ SỬ DỤNG BÞ ĐIÀU

KHIÂN Tà LÞ VÀ BÞ ĐIÀU KHIÂN Vâ TRÍ K¾T HỢP TÞC ĐÞ

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ biết cách thiết kế bộ điều khiển tỉ lệ và bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp vận tốc (PV), tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển và thực nghiệm kiểm chứng chất lượng của hệ thống

Hàm truyền vị trí như sau:

( )( )

( ) ( 1)

m m

V s =l v t là điện áp đặt lên động cơ với điều kiện đầu vào bằng 0

❖ Hệ thống điều khiển PID có sơ đồ khối như hình sau:

Hình2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển sử dụng PI

số tỉ lệ, tích phân, và vi phân của bộ điều khiển

Hệ thống điều khiển PV (tỉ lệ - vận tốc) có sơ đồ như hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển

PV

Bộ điều khiển có dạng sau: u t( ) k p(r t( ) y t( )) k d dy t( )

dt

Với bộ điều khiển này, hệ kín có dạng khâu dao động bậc 2

III TRÌNH TỰ TI¾N HÀNH THÍ NGHIÞM

1 Xây dựng mô hình lý thuyết hàm truyền hệ kín điều khiển vị trí với bộ điều khiển P và bộ

điều khiển PV

2.Xây dựng mô hình SIMULINK với bộ điều khiển P như Hình 2.3 và trả lời các câu hỏi sau:

Hình 2.3 Mô hình Simulink/QUARC điều khiển vị trí QUBE-Servo 2 sử dụng bộ điều khiển tỉ

12 Pham Tien Dat - 20196847

ø ø và thời gian đỉnh (t p =tmax −t0)

Hình 2.4 Đáp ứng bước nhảy của hệ dao động bậc hai

» Thái gian đánh: t p =tmax − =t0 0.728 0 0.728− =

3 Xây dựng mô hình SIMULINK sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ - vận tốc như trên Hình 2.5 và

thực hiện thí nghiệm theo trình tự sau:

• Cài đặt bộ phát tín hiệu (Signal Generator) để tạo ra xung vuông có biên độ là 0.5 rad và tần số 0.4 Hz Chú ý rằng khâu D trong mô hình được thay thế bới khâu vi phân thực

hệ số tỉ lệ k p và vi phân k d theo tần số dao động tự nhiên ÷n và hệ số suy giảm ø

trong mô hình

13 Pham Tien Dat - 20196847

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống điều khiển trong Simulink/Matlab

• Tìm các tham số ýĂ và ý�㕑 để thời gian đỉnh 0.15 giây và độ quá điều chỉnh là 2.5% (khi đó

• Nếu đáp ứng thu được không đáp ứng được yêu cầu đặt ra, thử chỉnh các tham số điều khiển cho đến khi thỏa mãn Lưu hình Matlab thu được, các tín hiệu đo được, và nhận xét

về cách chỉnh định bộ điều khiển để thu được những kết quả đó

14 Pham Tien Dat - 20196847

6.Dừng bộ điều khiển QUARC®

7.Tắt nguồn hệ thống QUBE-Servo 2

15 Pham Tien Dat - 20196847

KHÔNG GIAN TR¾NG THÁI

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ có thể xây dựng mô hình trạng thái cho hệ thống, biết thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ thống, tiến hành điều khiển thực và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển.

Xét mô hình con lắc cho như ở Hình 3.1 bao gồm thanh tựa nối trực tiếp với động cơ Servo 2 (có thể điều khiển trực tiếp được) và một con lắc nối với đầu cuối của thanh tựa Các tham

QUBE-số và kí hiệu của mô hình đối tượng bao gồm:

�㕟 Độ dài thanh tựa

ý�㕟 Momen quán tính của thanh tựa (quay theo trục �㕧0)

�㔃 Góc quay so với trục �㕥0 (chiều dương là chiều ngược chiều kim đồng hồ

(CCW)) Động cơ quay Theo chiều CCW khi điện áp đặt �㕣ÿ > 0

ÿĂ Chiều dài con lắc Trọng tâm của con lắc nằm ở giữa con lắc þ = ÿĂ/2

ýĂ Moment quán tính của con lắc

�㗼 Góc quay của con lắc khi hướng xuống đất

ÿĂ Khối lượng con lắc

�㕏�㕟, �㕏Ă Hệ số giảm tốc của thanh tựa và của con lắc

Hình 3.1 Mô hình con lắc

Mô hình toán đơn giản hóa của hệ con lắc được cho bởi hệ phương trình vi phân:

16 Pham Tien Dat - 20196847

3

r r

J = là momen quán tính của con lắc đối với trục quay (điểm nối với thanh tựa) Hệ

số giảm tốc của thanh tựa và con lắc lần lượt là b r &b p Momen lực tác dụng vào đế của thanh

m

k

v k R

Tuyến tính hóa mô hình quanh một điểm làm việc ta thu được phương trình vi phân tuyến tính

mô tả hệ con lắc:

Viết lại dưới dạn mô hình trên không gian trạng thái:

Trong đó các vector biến trạng thái, vector biến đầu ra, và biến điều khiển được cho bởi

( ) ( ) ( ) ( ) t t

x=ù t a t  t a t ù = x x x x ,y= ( )t a t( ) t = x1 x2t,u= Bộ

điều khiển phản hồi trạng thái có dạng: u = −Kx+ trong đó w K là ma trận có kích thước 4x1

và wlà tín hiệu đặt bên ngoài Hệ kín với bộ điều khiển đã cho có phương trình cho bởi

( )

x= Ax−BKx+Bw= A−BK x+Bw

Để hệ ổn định hệ, þ cần được chọn sao cho mọi điểm cực của ma trận ý − þþ đều nằm bên trái trục

ảo Vị trí các điểm cực sẽ quyết định chất lượng điều khiển của hệ Nếu hệ điều khiển được hoàn toàn, ta có thể gán tùy ý vị trí các điểm cực của ý − þþ

III TRÌNH TỰ TI¾N HÀNH THÍ NGHIÞM

Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái được cho như trong Hình 3.2

17 Pham Tien Dat - 20196847

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái

Xác định các ma trận ý, þ, ÿ, Ā của mô hình trạng thái của đối tượng theo các biến tham số

1 Sử dụng các tham số trong file rotpen_ABCD_eqns_ip.m và qube2_rotpen_param.m xác định tính điều khiển được của đối tượng

2 Thực hiện thiết kế bộ điều khiển gán điểm cực dựa trên các yêu cầu sau:

• Tìm các điểm cực của đối tượng Nhận xét vị trí của các điểm cực này, các điểm cực này ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống?

+ 1 điểm cực thực nằm bên phải trục ảo làm cho hệ thống không ổn định

+ 1 điểm cực nằm trên trục ảo cho đáp ứng quá độ của hệ thống dao động

• Thiết kế bộ điều khiển gán điểm cực làm ổn định đối tượng

• Cài đặt bộ phát tín hiệu có dạng xung vuông, biên độ bằng 1 và tần số là 0.125 Hz Đặt khối khuếch đại kết nối với bộ phát tín hiệu bằng 0

• Xây dựng và chạy bộ điều khiển QUARC@

• Đưa thanh lắc quanh vị trí cân bằng (sai lệch không quá 10ā) cho đến khi bộ điều khiển làm việc

18 Pham Tien Dat - 20196847

Cánh tay – K=0

Con lắc – þ = 0

• Khi thanh lắc được giữ cân bằng, cho khối khuếch đại bằng 30 Lưu đồ thị đáp ứng vị trí, góc nghiêng và điện áp

19 Pham Tien Dat - 20196847

20 Pham Tien Dat - 20196847

Edit|Update Diagram

• Dưa vào tần số và hệ số suy giảm đã cho, tính thời gian đỉnh và độ quá điều chỉnh

• Vẽ đồ thị vị trí và góc nghiêng và kiểm tra lại tính toán

Cánh tay mới – K=0

Con lắc mới - K= 0

21 Pham Tien Dat - 20196847

Cánh tay mới - K=30

Con lắc mới - K=30

3 Dừng bộ điều khiển QUARC@ và ngắt nguồn hệ thống QUBE-Servo 2

• Bộ điều khiển tỉ lệ - vận tốc cho hệ thống con lắc ngược có dạng như sau:

( ref ) p ( r ) p a d d a

u=K x −x =k   − −k a−k  −k a

• Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển được cho như hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PV

III TRÌNH TỰ TI¾N HÀNH THÍ NGHIÞM

Xây dựng bộ điều khiển như trong hình 4.2

Hình 4.2 Sơ đồ SIMULINK hệ thống điều khiển tỉ lệ - vận tốc

23

1 Mở mô hình Simulink q_qube2_balance như trong hình 4.2

2 Cài đặt các hệ số của bộ điều khiển như sau: k p, = −2,k p a, =30,k d, = −2,k d a, =2.5

Chạy bộ điều khiển QUARC@

1 Đưa thanh lắc đến vị trí cân bằng phía trên cho đến khi bộ điều khiển làm việc Lưu lại đáp ứng

vị trí, góc nghiêng và điện áp điều khiển

Góc nghiêng cánh tay - 0◦

Điện áp - 0◦

2 Khi thanh lắc được giữ thăng bằng, mô tả các đáp ứng về vị trí và góc nghiêng

25

Điện áp - 25◦

4 Dừng bộ điều khiển QUARC@

5 Tắt nguồn hệ thống QUBE-Servo 2