BÁO cáo THÍ NGHIỆM cơ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG bi THÍ NGHIỆM 1 KHO sát đc TÍNH ĐỘNG học hệ THỐNG

Mục đích Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ khảo sát đăc tính đông hc ca môt hệ thng tuyến tính thng qua khảo sát đáp ứng tân s và đáp ứng thơi gian ca đi tưng đông c DC.. Ng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LỚP: Z3CK - HK221

GVHD: BÙI THANH HUYỀN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

1

BI THÍ NGHIỆM 1

KHO SÁT ĐC TÍNH ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG

1 Mục đích Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ khảo sát đăc tính đông hc ca môt hệ thng tuyến tính thng qua khảo sát đáp ứng tân s và đáp ứng thơi gian ca đi tưng đông c DC Dựa vào các kết quả thu thập đưc từ đáp ứng tân s bao gồm đáp ứng biên đô và đáp ứng pha, m hình đông c DC

sẽ đưc nhận dạng M hình nhận dạng đưc sẽ là c sở để thiết kế bô điều khiển sau này.

 Ngoài ra, bài thí nghiệm còn khảo sát đáp ứng nấc để từ đó suy ra thơi hằng và đô li DC ca đông c DC.

Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:

 Biết cách xy dựng và m phỏng m hình thí nghiệm dng MATLAB Simulink để khảo sát đáp ứng tân s và đáp ứng thơi gian ca đi tưng tuyến tính.

 Nhận dạng đưc m hình đi tưng đông c DC từ đáp ứng tân s và đáp ứng thơi gian.

2 Chuẩn bị trước thí nghiệm 2.1Khao sát đăc tính tân sô củ hệ thông bậc 1Bảng 1. Dữ liệu mô phong ch đáp ứng tần số của tốc độ động cơ DC Lân chạy Tân s

3

2.2 Khao sát đăc tính tân sô củ hệ thông bậc 2

Lânchạy

5

3 THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM

3.1Đáp ứng tân sô củ tôc độ động cơ DCBảng 3 Dữ liệu th nghiệm ch đáp ứng tần số của tốc độ động cơ DC Lân chạy Tân s (rad/s)  Ac/ Ar   Ac/ Ar(dB)    t ( s)      (đô)

3.2Đáp ứng tân sô củ vị trí động cơ DC

Bảng 4 Dữ liệu th nghiệm ch đáp ứng tần số của vị tr động cơ DC Lân chạy Tân s (rad/s)  Ac/ Ar   Ac/ Ar(dB)    t ( s)      (đô)

3.3 Khao sát đáp ứng nấc tôc độ động cơ DC

Bảng 5. Dữ liệu th nghiệm ch đáp ứng tốc độ động cơ 

 DC the thi gian với điện áp đầu và khác nhauLân chạy Điện áp

 12V

 16.8V

9

4 Báo cáo thí nghiệm

4.1Từ bảng s liệu ở Bảng 3 và Bảng 4, vẽ biểu đồ đáp ứng tân s tìm đưc(Bode biên đô và Bode pha) trong 2 trương hp, xác định đô li DC và hằngs thơi gian ca hệ thng trong 2 trương hp 5.1 và 5.2 ?

Biểu đồ bode với s liệu bảng 3

11

Biểu đồ Bode với bang sô liệu 4:

4.2Đô dc (dB/dec) trong biểu đồ biên đô xấp xỉ bằng bao nhiêu? Nó có ph hpvới đô dc ca hệ thng bậc nhất đi với trương hp 5.1 và hệ thng bậc haiđi với trương hp 5.2 hay khng?

- Đô dc trong Bode biên đô ở bảng 3 xấp xỉ bằng -22.22db/dec cũng gân bằng-20db/dec => Ph hp với tc đô dc ca hệ bậc nhất

- Đô dc trong Bode biên đô ở bảng 4 bằng -22.4db/dec => Ph hp với dô dc

4.3Từ biểu đồ pha ở trương hp 5.1, hãy xác định tân s tại đó đáp ứng hệ thngtrễ pha so với tín hiệu đăt môt góc 450? Giải thích về mi liên hệ ca tân snày với hằng s thơi gian ca hệ thng?

- Tân s tại đó đáp ứng trễ pha so với tín hiệu đăt 1 góc 45 đô là 3 rad/s

- Tân s này gân bằng với nghịch đảo ca hằng s thơi gian

4.4Dự đoán về đô li ca hệ thng khi tín hiệu đăt có tân s rất cao? Đô trễ phađi với tân s này?

- Dựa vào đáp ứng biên đô , ta thấy khi tân s rất cao đáp ứng biện đô tiến về ∞nên đô li đông c sẽ tiến về 0

- Dựa vào đáp ứng pha, ta thấy khi tân s càng cao thì đáp ứng dân hôi tụ về -90nên đô trễ pha lúc này là 90

4.5So sánh hằng s thơi gian và đô li DC trong 2 trương hp 5.1 và 5.3 ?

- Hằng s thơi gian ở 2 trương hp gân bằng nhau

- Đô li DC trong 2 trương hp cũng xấp xỉ nhau

13

BI THÍ NGHIỆM 2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG

I MỤC ĐÍCH

Trong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ khảo sát và đánh giá các tiêu chuẩn vềchất lưng ca hệ thng điều khiển vòng kín bao gồm: đô vt l, sai s xác lập, thơigian lên, thơi gian xác lập M hình đi tưng đưc sử dụng trong thí nghiệm là mhình đông c DC đưc điều khiển vòng kín bằng bô điều khiển liên tục gồm khu tỉ lệ

và khu tích phn Bô điều khiển này đưc thiết kế dng mạch khuếch đại op-amp Các

hệ s khu tỉ lệ và tích phn đưc thay đổi để cung cấp nhiều dạng đăc tuyến ngõ rakhác nhau

Mục tiêu sa khi hoàn bài thí nghiệm này :

 Biết cách xy dựng và m phỏng m hình điều khiển liên tục vòng kín dngMATLAB Simulink

 Hiểu nguyên lý thiết kế bô điều khiển liên tục dng các mạch khuếch đại thuật toánop- amp c bản

 Biết cách tính toán các tiêu chuẩn đánh giá chất lưng hệ thng điều khiển

II THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM

2.1 Khao sát chất lưng hệ thông dùng các khôi hm liên tục trong MATLABSimulink 

Bảng 3. Đầu và hàm nâc (Step)Thí nghiệm

Tiêu chuẩn

Điều khiển vận tc SP=800v/p Điều khiển vị trí SP=1000°Dng khu P

Kp=0.2,Ki=0

Dng khu PIKp=0.2,Ki=0.5

Dng khu PKp=0.02, Ki=0

Dng khu PIKp=0.02,Ki=0.005

Điều khiển vận tôc SP=800v/ Dùng khu P

Điều khiển vận tôc SP=800v/Dùng khu PI

15

Điều khiển vị trí SP=1000° Dùng khu P

 Điều khiển vị trí SP=1000° Dùng khu PI

  Nhận xét :

- Từ bảng trê ta thấy khi điều khiển vận tc hay đông c khi ta dung khu PI thay cho khu , sai s xác lập giảm tt

- Nhận xét đồ thị : + Điều khiển vận tc dung khu P cho đáp ứng có sai s xác lập cao

exl= 25 Tuy nhiên thơi gian xác lập ,thơi gian lên ngắn Đô lt v nhỏ + Điều khiển vận tc dung khu PI loại bỏ sai s xác lập exl =0.5 tuy nhiên đô lt v tng cao POT = 29,5% Thơi gian lên và thơi gian xác lập dài hn

+ Điều khiển vị trí chỉ dng khu P , đáp ứng ngõ ra cho sai s xác lập

exl= 9 đô lt v cao 13.5%

+ Điều khiển vị trí dng PI loại bỏ hoàn toàn sai s xác lập Tuy nhiên

đô lt v tng lên 44.12% , thơi gian lên giảm nhưng thơi gian xác lập tng 3 lân

Bảng 4. Đầu và hàm dốc (Ramp)Thí nghiệm

Tiêu chuẩn

Điều khiển vận tcSP=0800v/p trong 10s

Điều khiển vị tríSP=01000° trong 20sDng khu P

Kp=0.2, Ki=0

Dng khu PIKp=0.2, Ki=0.5

Dng khu PKp=0.03, Ki=0

Dng khu PIKp=0.03, Ki=0.01

  Nhận xét

  đi với đâu vào hàm dc :+ Khi điều khiển vận tc dng khu P cho sai s xác lập ra v cng , đáp ứngngõ ra khng bám theo tín hiệu đăt

+ Khi dng khu PI điều khiển vận tc sai s xác lập giảm còn 1 => gân nhưkhng đáng kể

+ Khi điều khiển vi trí dng khu P cho sai s xác lập lớn 17 + Khi có them khu PI , điều khiển vị trí sai s xác lập giảm về 2.5

17

2.2 Khao sát chất lưng hệ thông dùng mạch khuếch đại op-mp

Bảng 5. Đầu và hàm nâc (Step)Thí nghiệm Điều khiển vận tc SP=800v/p Điều khiển vị trí SP=1000°

Tiêu chuẩn

Dng khu PRp=5k 

Dng khu PIRp=5k Ri=2k,Ci=10u

Dng khu PRp=30k 

Dng khu PIRp=30kRi=30k, Ci=10u

+ Nhận xét đồ thị :

- Đi với đâu vào hàm nấc :

 Điều khiển vận tc dng khu P cho đáp ứng có sai s xác lập là 60.Thơi gian xác lập , thơi gian lên ngắn Đô lt v nhỏ

 Điều khiển vận tc dng khu PI cho sai s xác lập giảm , tuy nhiên

đô lt v tng gấp đi Thơi gian lên và thơi gian xác lập dài hn

 Điều khiển vị trí chỉ dng khu P cho sai s xác lập cao exl=90 thơi gian xác lập 2s , đô lt v cao 36.97%

 Điều khiển vị trí dng PI cho sai s xác lập giảm còn 68 thơi gian xác lập 0.435s , đô lt v tng lên 51.49%

Bảng 6. Đầu và hàm dốc (Ramp)Thí nghiệm Điều khiển vận tc

SP=0800v/p trong 10s

Điều khiển vị tríSP=01000° trong 20s

Tiêu chuẩn

Dng khu PRp=5k 

Dng khu PIRp=5k Ri=2k,Ci=10u

Dng khu PRp=10k 

Dng khu PIRp=10kRi=30k, Ci=47u

 Nhận xét

- Đi với đâu vào hàm dc : + Khi điều khiển vận tc dng khu P hay PI cho sai s xác lập ra v cng , đáp ứng ngõ ra khng bám theo tín hiệu đăt

+ Khi điều khiển vị trí dng khu P cho sai s xác lập lớn là 51 + Khi có them khu PI , điều khiển vị trí sai s xác lập tng them lên 63.

19

và quyet định tới chat lưng sản pham can gia nhiệt.

Dựa vào các ket quả thu th p đưc từ đáp ứng thơi gian, sinh viên sẽ tìm đưc

mô hình ca lò nhiệt như: hệ so khuech đại, thơi gian tre, thơi hang ca lò nhiệt Sau khi tìm đưc m hình lò nhiệt, sinh viên sẽ xy dựng b đieu khien PID theo phưng phápZiegler – Nichols đe đieu khien nhiệt

Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:

 Nh n dạng đưc mô hình lò nhiệt từ đáp ứng thơi gian đe thiet ke b đieu khien PID theo phưng pháp Ziegler – Nichols

2.2 Điều khiển PID theo phương pháp Ziegler –Nichols

B đieu khien  K p / T   i 

 PID( s)   K  p    K  pT d  

 s s

Bang 3 Chất lưng hệ thông điều khiển

Bộ điều

Báo cáo thí nghiệm :

1 Từ bang sô liệu ở bang 1 , viết hm truyền củ lò nhiệt theo(1) ?

+ Đăt biến Variable name trong Scope Parameters là “v” + Chạy mạch đã thiết kế trong Simulink sau đó code trong cửa

sổ Command WindowĐc kết quả trong Command Window :

21

+ Bô điều khiển PID cải thiện đưc sai s xác lập exl = 0 tuynhiên lại có đô lt v và thơi gian quá đô lớn hn so với bô điềukhiển P nhưng có thể chấp nhận đưc

- Trong điều khiển lò nhiệt , việc điều khiển chính xác nhiệt đô với đô ltv và sai s xác lập nhỏ là cân thiết và quyết định đến chất lưng sản phẩm cân gia nhiệt Vì vậy trong 2 bô điều khiển vừa thiết kế trên , đ

 bô điều khiển PID có đô lt cao hn so với bô điều khiển P nhưng 30%

là con s chấp nhận đưc hn nữa bô PID lại có sai s giữa tín hiệu ngõ

ra lúc xác lập và tín hiệu đăt gân như bằng 0 đáp ứng đưc yêu câu điềukhiển chính xác nhiệt đ mà ta mong mun ban đâu => có thể kết luậnrằng bô điều khiển PID tt hn so với bô điều khiển P

Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ xy dựng phưng trình biến trạng thái m tả hệ thng xe – lò xo Sau đó sẽ xy dựng bô điều khiển hồi tiếp biến trạng thái để điều khiển vị trí ca xe 1 hoăc vị trí ca xe 2 theo giá trị đăt mong mun.

Dựa vào các kết quả thu thập đưc từ đáp ứng thơi gian, sinh viên sẽ tìm đưc các thng s ca m hình xe – lò xo như: đô cứng ca lò xo, hệ s ma sát Sau khi tìm đưc các thng s này, sinh viên sẽ xy dựng đưc phưng trình biến trạng thái m tả hệ thng xe – lò xo.

 Ngoài ra, bài thí nghiệm còn giúp sinh viên hiểu rõ ảnh hưởng ca bô điều khiển hồi tiếp biến trạng thái lên chất lưng hệ thng điều khiển.

Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:

 Biết cách xy dựng và m phỏng m hình điều khiển hệ thng xe – lò xo dng phưng pháp điều khiển hồi tiếp biến trạng thái.

 Biết cách thu thập dữ liệu và nhận dạng m hình đi tưng xe – lò xo.

 Đánh giá đưc chất lưng điều khiển dng phưng pháp điều khiển hồi tiếp biến trạng thái.

II KT QU THÍ NGHIỆM

27

29

31

33

35

3.Báo cáo thí nghiệm

3.1 Từ bảng s liệu ở Bảng 3 và Bảng 4, viết phưng trình biến trạng thái hệ

xe – lò xo theo (3)?

Từ bảng s liệu trên ta có phưng trình biến trạng thái xe – lò xo như sau :

3.2 Dựa vào kết quả ở thí nghiệm 5.2 , nhận xét ảnh hưởng ca từng hệ s K f3,

K f4 lên chất lưng hệ thng ?

- Khi tang hệ s K f3thì sai s xác lập giảm nhưng đô lt v và thơi gian quá đôtang ,hệ thng mất ổn định Vậy K f3 chỉ cải thiện đưc sai s xác lập nhưnglại làm xấu đi đáp ứng quá đô ca hệ thng

- Khi tằn hệ s K f4thì đô lt v giảm đáng kể , sai s xác lập giảm => hệ s K f4

cải thiện cả đáp ứng quá đô và sai s xác lập ca hệ thng

3.3 Dựa vào kết quả ở mục 5.3 , nhận xét ảnh hưởng ca từng hệ s K f1 ,K f2 và

K f4 lên chất lưng hệ thng ?

  - Khi tang hệ s K f1 thì sai s xác lập giảm nhưng đô lt v và thơi gian quá

đô tng , hệ thng mất ổn định => K f1 chỉ cải thiện sai s xác lập nhưng lại làm xấu đi đáp ứng quá đô ca hệ thng

- Khi tng hệ s K f2hệ thng mất ổn định Khi tng hệ s K F4đô lt v giảm dân xung 0 ,sai s xác lập và thơi gian quá đô thay đổi nhỏ

37