Báo cáo Cơ sở điều khiển tự động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BÀI THÍ NGHIỆM 4 ĐIỀU KHIỂN HÔI TIÊP BIÊN TRẠNG THÁI LỚP L08 NHÓM 2 HK211 GVHD Thầy TRẦ.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

BÀI THÍ NGHIỆM 4: ĐIỀU KHIỂN HÔI TIÊP BIÊN TRẠNG THÁI

LỚP: L08 - NHÓM: 2 - HK211 GVHD: Thầy TRẦN QUỐC TIÊN DŨNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN

2 1910574 Lê Nguyễn Nhân Thọ

3 1915109 Lê Ngọc Duy Thái

4 1810592 Lê Tuyết Đoan Trang

MỤC LỤC

I MỤC ĐÍCH……….…….3

II THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM……… 3

1 THÍ NGHIỆM 1: Xây dựng mô hình hệ xe – lo xo………3

2 THÍ NGHIỆM 2: Khao sát bộ điêu khiên hôi tiêp biên trang thái cho hệ xe-lo xo 11 2.1/ Điêu khiên vị trí xe 2……….…… ……… 11 2.2/ Điêu khiên vị trí xe 1……… …12

3 Khao sát bộ điêu khiên PID cho hệ xe-lo xo……… 16

I MỤC ĐÍCH:

Hệ thống xe – lo xo bao gôm 2 xe va 2 lo xo liên kết nối tiếp nhau Trong bai thí

nghiệm nay, sinh viên sẽ xây dưng phương trinh biến trang thái mô ta hệ thống xe – lo

xo, sau đo sẽ xây dưng bô điêu khiên hôi tiếp biến trang thái đê điêu khiên vi trí cua xe

1 hoặc vi trí cua xe 2 theo giá tri đặt mong muốn Thêm vao đo, sinh viên sẽ xây dưng

bô điêu khiên PID cho vi trí cua xe 1 nhằm so sánh với bô điêu khiên hôi tiếp trang thái

Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:

- Biết cách xây dưng va mô phỏng mô hinh điêu khiên đối tượng xe – lo xo dung

phương pháp điêu khiên hôi tiếp biến trang thái

- Đánh giá được chât lượng điêu khiên dung phương pháp điêu khiên hôi tiếp biến

trang thái

- So sánh được bô điêu khiên hôi tiếp biến trang thái va bô điêu khiên PID

II THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM:

1 THÍ NGHIỆM 1: Xây dựng mô hình hệ xe – lo xo

Xây dưng mô hinh Simulink đê khao sát đáp ưng vong hơ cua hệ xe – lo xo như ơ

Hinh 3 Trong đo, khối Mass-Spring Damper được tao bằng khối Subsystem (Simulink

→ Commonly Used Block → Subsystem) Mô hinh bên trong cua hệ được cho như Hinh

4 Các khối Fcn (Simulink → User-Defined Functions → Fcn) chưa các ham tính toán trang thái suy ra từ phương trinh (5)

Hinh 3 Mô hinh khao sát đáp ưng hệ xe – lo xo

Hinh 4 Mô hinh hệ xe – lo xo

Cai đặt thông số cua hệ xe – lo xo tương ưng với nhom thí nghiệm như Bang 1

Bang 1 Thông số hệ xe – lò xo

Cai đặt thông số mô phỏng (Simulation → Configuration Parameter) như Hinh 5 Trong đo, phương pháp lây mẫu (Solver) la Fixed-step, ode4, chu kỳ lây mẫu (Fixed

step size) la0.001 giây, thời gian cuối (Stop time) la 3 giây

Hinh 5 Thông số mô phỏng

a) Lần lượt thay đổi giá trị lực đầu vào như Bang 2 Chay mô phỏng.

b) Mơ Scope xem đáp ưng Xác định vị trí xe 1, xe 2 ơ giai đoan xác lâp và ghi lai kêt qua.

Bang 2 Khoang cách di chuyên theo lưc tác động

LẦN CHẠY FORCE (N) x1(mm) x2(mm)

Kêt qua khao sát

 F=10

Gain 1

Gain 2

 F=20

Gain 1

Gain 2

 F=30

Gain 1

Gain 2

 F=40

Gain 1

Gain 2

 F=50

Gain 1

Gain 2

c) Vẽ đô thị biêu diên x 1 theo Force và x 2 theo Force Nhân xet kêt qua đô thị Rút

ra mối quan hệ giữa giá trị xác lâp cua x 1 , x 2 với k1, k 2 , F

Code Mathlab:

x1=[10,20,30,40,50]

x2=[16.67,33.33,50,66.67,83.33]

F=[10,20,30,40,50]

semilogx(x1,F)

figure;

semilogx(x2,F)

Đô thị biêu diên �� theo Force:

Đô thị biêu diên �� theo Force:

Nhân xet:

Giá tri xác lập cua �1 bằng với F va giá tri, giá tri xác lập cua �2 tỉ lệ thuận với F

Va theo công thưc mô ta hệ thống thi đô cưng cua lo xo �1 va �2 tỉ lệ nghich với giá tri xác lập cua �1 va �2

d) Cho biêt chưc năng cua từng khối trong sơ đô mô phỏng hệ xe-lo xo ơ Hình 4.

- Khối in: Dung tao tín hiệu đầu vao cho môt hệ thống con

- Khối out: Dung tao tín hiệu đầu ra cho môt hệ thống con, đông thời gửi tín hiệu đến Matlab

- Khối Mux: La bô ghép kênh nhiêu ngõ vao nôt ngõ ra, từ ngõ ra nay ta đưa vao Scope đê xem nhiêu tín hiệu trên cung môt cửa sổ

- Khối Fcn: Chưa các ham tính toán trang thái suy ra từ phương trinh

- Khối Gain: La bô tỉ lệ Tín hiệu sau khi qua khối nay sẽ được nhân với giá tri Gain

- Khối Integator: Khâu tích phân

2 THÍ NGHIỆM 2: Khao sát bộ điêu khiên hôi tiêp biên trang thái cho hệ xe-lo xo 2.1 Điêu khiên vị trí xe 2

Sơ đô hệ thống:

Mô hinh mathlab khi chay cung 5 lần đê so sánh kết qua trên cung môt scope:

Bang kêt qua

Lần chay �� Đô lọt vố (tiêu chuẩn 2%)T/g xác lập Sai số xác lập

Nhân xet:

- Trong 5 lần chay đầu tiên lần lượt thay đổi giá tri ��3 từ 0.1 đến 10 Từ kết qua scope ta thây POT tăng, thời gian xác lập giam nhẹ rôi tăng ơ cuối va sai số xác lập giam

- Trong 5 lần chay tiếp theo, tăng giá tri ��3 lên 10, lần lượt thay đổi giá tri ��4 từ 0.1 đến

10 Từ kết qua scope ta thây POT giam nhiêu, thời gian xác lập tăng va sai số xác lập la hằng số

Giai thích:

- Hệ số hôi tiếp �� = ��1��2 ��3 ��4 tương ưng cho 4 tín hiệu trang thái � =

�1�1 �2 �2 �

- Do đang xét xe 2 nên ta quan tâm ��3 va ��4, 2 hệ số nay chính la sai số vi trí va sai số vận tốc cua xe 2

- Sai số vi trí cang lớn khiến cho dao đông ban đầu lớn, tưc giá tri lớn nhât cua x lớn khiến cho POT cũng lớn theo Nhưng ngược lai, điêu nay sẽ lam cho giá tri xác lập tiến tới giá tri mong muốn cua hệ thống

- Sai số vận tốc cang lớn, hệ thống tiến ra tiến đến xác lập chậm hơn, khiến cho thời gian quá

đô tăng dần, nhưng POT giam dần va đô chênh lệch giữa giá tri xác lập va giá tri mong

muốn la 1 hằng số

2.2 Điêu khiên vị trí xe 1

Sơ đô hệ thống:

Nhân xet:

- Trong 5 lần chay mô phỏng đầu tiên

Ở lần 1, dưa vao đô thi đáp ưng ta tim được

max

2.5

2.746

xl

x

x





Va thời gian xác lập la 0.408 giây ( theo tiêu chuẩn 2%)

- Từ đo tính được:

max

15 2.5 12.5

2.746 2.5

2.5

xl xl

SSXL

POT

x

Tương tự, tính được các giá trị tai những lần mô phỏng kê tiêp như bang sau:

Lần

chay Kf Đô vọt lố (%) Thời gian xác lập(2%) Sai số xác lập

 Nhận xét vê 5 lần chay mô phỏng đầu tiên: Theo bang số liệu va đô thi đáp ưng ta nhận thây khi tăng giá tri Kf1hệ thống co đô vọt lố tăng, thời gian xác lập tăng, nhưng co sai số xác lập giam

- Trong 5 lần chay mô phỏng tiêp theo

Lần chay Kf Đô vọt lố (%) Thời gian xác lập(2%) Sai số xác lập

 Nhận xét vê 5 lần chay mô phỏng tiếp theo: Theo bang số liệu va đô thi đáp ưng ta nhận thây khi tăng giá tri Kf2 va giữ nguyên giá tri Kf1 hệ thống co đô vọt lố giam, thời gian xác lập giam, con sai số xác lập thi không đổi

- Trong 5 lần chay mô phỏng cuối cùng

Lần chay Kf Đô vọt lố (%) Thời gian xác lập(2%) Sai số xác lập

 Nhận xét vê 5 lần chay mô phỏng cuối cung: Theo bang số liệu va đô thi đáp ưng ta nhận thây khi tăng giá tri Kf4 va giữ nguyên giá tri Kf1 hệ thống co đô vọt lố giam dần vê 0, thời gian xác lập giam đến ngưỡng nao đo thi lai tăng, con sai số xác lập thi không đổi

Kêt luân: Qua 15 lần mô phỏng thay đổi các giá tri từ Kf1 , Kf2 va Kf4, ta nhận thây

Kf1 anh hương nhiêu đến sai số xác lập Kf2 anh hương nhiêu đến thời gian xác lập va ca đô vọt lố (lam giam 2 thông số đo) Con đối với Kf4 thi cũng tác đông đến 2 thông số la thời gian xác lập va đô vọt lố, nhưng chỉ giúp lam giam đô vọt lố, con nếu tăng Kf4quá lớn sẽ dẫn đến thời gian xác lập lớn

3 THÍ NGHIỆM 3: Khao sát bộ điêu khiên PID cho hệ xe-lo xo

Sơ đô hệ thống:

Xây dưng mô hinh điêu khiên vi trí xe 1 dung bô điêu khiên PID như hinh

a) Lần lượt thay đổi cai đặt các hệ số ��, ��, �� theo bang số liệu Chay mô phỏng

b) Mơ scope đê xem đáp ưng, xác đinh đô vọt lố, thời gian quá đô, sai số xác lập cua vi trí xe 1 Ghi nhận kết qua

c) Nhận xét anh hương cua từng hệ số ��, ��, �� lên chât lượng hệ thống Lý giai anh hương cua mỗi hệ số dung mô hinh toán cua bô điêu khiên

d) So sánh ưu, nhược điêm cua đáp ưng điêu khiên PID với đáp ưng điêu khiên hôi tiếp

biến trang thái cho xe 1 ơ phần 3.2.2 Chỉ ra những điêm giống va khác nhau trong nguyên lý hoat đông cua hai bô điêu khiên

Thưc hành:

Tiến hanh xây dưng mô phỏng theo yêu cầu đê bai, nhom co được mô hinh Simulink như sau:

Theo giá tri yêu cầu cua bang số liệu, nhom lần lượt hiệu chỉnh thông số cua các khối Gain, tương đương với �� = 0.2, �� = 0, �� = 0 Sau đo tiến hanh chay mô phỏng, nhom

co được kết qua Với đường mau vang la tín hiệu x1, tưc vi trí cua xe 1:

Xác định độ vọt lố: Theo lý thuyết, đô vọt lố la đai lượng đánh giá mưc đô vọt lố cua hệ

thống, muốn xác đinh được đô vọt lố, ta phai xác đinh được 2 giá tri la ��� (giá tri cua tín hiệu hôi tiếp khi thời gian tiến đến vô cung) va ���� (la giá tri lớn nhât cua tín hiệu hôi tiếp)

Sử dụng công cụ Cursor Measurements đê xác đinh các giá tri trên, nhom xác đinh được

��� = � �, ���� = � ���

Thế các giá tri trên vao công thưc sau đê xác đinh POT (đô vọt lố):

��� = �����− ���

�� 100% ⇔ ��� = 2.745 − 2.52.5 100% = 9.8%

Xác định thời gian xác lập: Thời gian xác lập la khoang thời gian từ khi co tín hiệu hôi

tiếp cho đến khi tín hiệu nay không vượt quá 1±�% giá tri xác lập cua no Với �% la 2% hoặc 5%, ơ đây nhom chọn �% = 2%

Với trường hợp �� = 0.2, �� = 0, �� = 0, ta co thời gian xác lập khi tín hiệu hôi tiếp

không vượt quá khoang giá tri (2.45; 2.55) Sử dụng Cursor Measurements đê xác đinh

khoang thời gian nay Suy ra thời gian xác lập ��� = � ����:

Xác định sai số xác lập: Sai số xác lập la sai lệch giữa tín hiệu đặt va tín hiệu vao Với

trường hợp �� = 0.2, �� = 0, �� = 0, ta co:

��� = 15 − 2.5 = 12.5

Cư tiếp tục thưc hiện các thao tác như vậy, hoan thanh được bang sau:

Lần

Độ vọt lố

Thời gian xác lâp Sai số xác lâp

Sau khi hoan thanh bang số liệu, nhom đưa ra nhận xét vê anh hương cua các thông số

��, ��, �� lên hệ thống Khi tăng ��, �� giá tri xác lập cua tín hiệu hôi tiếp va thời gian xác lập sẽ tăng Tăng �� lam giam thời gian xác lập cua hệ thống