Đề bài hệ thống đctđ ổn định đường bay (góc lên xuống , góc quay) của các thiết bị bay (máy bay, tên lửa)

Trong khuôn khổ của bài tập lớn này tôi áp dụng phươngpháp đặc tính tần số lôgarit để khảo sát, tính toán và hiệu chỉnh hệthống ĐCTĐ tuyến tính liên tục theo các yêu cầu chỉ tiêu chấtlượ

Bài tập lớn môn học:

“Kỹ thuật điều khiển tự động”

Đề bài: Hệ thống ĐCTĐ ổn định đường bay (góc lên xuống , góc quay) của các thiết bị bay (máy bay, tên lửa).

Người thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường i th c hi n 1 : H Sỹ Cực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường ện 1 : Hồ Sỹ Cường ồ Sỹ Cường ười thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường ng

L p chuyên ngành : TBĐT-K56ớp chuyên ngành : TBĐT-K56

Người thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường i th c hi n 2 : Nguy n Duy Khánhực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường ện 1 : Hồ Sỹ Cường ễn Duy Khánh

L p chuyên ngành : ĐTYS-K56ớp chuyên ngành : TBĐT-K56

Gi ng viên hảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ướp chuyên ngành : TBĐT-K56ng d n : TS Trẫn : TS Trương Đăng Khoa ương Đăng Khoang Đăng Khoa

Ngày hoàn thành : 25/11/2022

Hà Nội, tháng 11 năm 2022

Bài tập lớn môn học:

“Kỹ thuật điều khiển tự động”

Đề bài: Hệ thống ĐCTĐ ổn định đường bay (góc lên xuống , góc quay) của các thiết bị bay (máy bay, tên lửa).

Người thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường i th c hi n 1 : H Sỹ Cực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường ện 1 : Hồ Sỹ Cường ồ Sỹ Cường ười thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường ng

L p chuyên ngành : TBĐT-K56ớp chuyên ngành : TBĐT-K56

Người thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường i th c hi n 2 : Nguy n Duy Khánhực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường ện 1 : Hồ Sỹ Cường ễn Duy Khánh

L p chuyên ngành : ĐTYS-K56ớp chuyên ngành : TBĐT-K56

Gi ng viên hảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ướp chuyên ngành : TBĐT-K56ng d n : TS Trẫn : TS Trương Đăng Khoa ương Đăng Khoang Đăng KhoaNgày hoàn thành : 25/11/2022

N m 2022ăm 2022

Lời nói đầu

Trong mỗi giai đoạn cách mạng, Đảng ta luôn xác định mụctiêu, phương hướng xây dựng Quân đội đáp ứng yêu cầu củng cốquốc phòng, bảo vệ Tổ quốc trong mọi tình huống Đại hội XIIIcủa Đảng tiếp tục xác định xây dựng Quân đội cách mạng, chínhquy, tinh nhuệ, từng bước hiện đại Đến năm 2025, cơ bản xâydựng Quân đội tinh, gọn, mạnh, tạo tiền đề vững chắc, phấn đấunăm 2030 xây dựng Quân đội hiện đại Để thực hiện thắng lợimục tiêu đề ra, mỗi người cán bộ kỹ thuật nói chung và học viênHọc viện Kỹ thuật quân sự nói riêng cần ra sức tích cực, học tập,rèn luyện để nâng cao bản lĩnh chính trị, chuyên môn nghiệp vụđáp ứng được yêu cầu đề ra

Ngày nay điều khiển tự động là một trong những mũi nhọn

cơ bản của kỹ thuật, tạo cơ sở để nắm bắt và phát triển kỹ thuậtcông nghệ hiện đại Đối với người kỹ sư kỹ thuật nói chung và kỹ

sư kỹ thuật quân sự nói riêng, việc thành thạo trong tính toán vàthiết kế các hệ thống điều khiển tự động là yêu cầu không thểthiếu

Bài tập lớn môn học kỹ thuật điều khiển tự động nhằm mụcđích rèn luyện cho người kỹ sư tương lai khả năng khảo sát, tínhtoán và thiết kế các hệ thống điều khiển tự động tuyến tính liêntục, tạo cơ sở cho việc tính toán và thiết kế các hệ thống phức tạpthường gặp trong thực tế

Trong khuôn khổ của bài tập lớn này tôi áp dụng phươngpháp đặc tính tần số lôgarit để khảo sát, tính toán và hiệu chỉnh hệthống ĐCTĐ tuyến tính liên tục theo các yêu cầu chỉ tiêu chấtlượng làm việc cho trước

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Ngọc Hưng Khoa Kỹ thuật Điều khiển, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡtôi hoàn thành bài tập lớn này

-Nhiệm vụ bài tập lớn

Đề bài: Tính toán hệ thống ĐCTĐ tuyến tính liên tục theo các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng làm việc cho trước.

Mô hình: Hệ thống điều chỉnh tự động ổn định đường bay (lúc lên xuống, lúc

quay) của các thiết bị bay (máy bay ,tên lửa)

Phần1 Sơ đồ nguyên lý của bài toán:

Trong đó:

CQ - Con quay ba bậc tự do dựng để đo góc sai lệch

CAĐL - Chiết áp đo lường dựng để biến đổi tín hiệu góc sai lệch thành

tín hiệu điện áp.

KĐT - Khuếch đại từ dựng để cộng và khuếch đại tín hiệu

KĐĐT - Khuếch đại điện tử nhạy pha.

NCĐ - Nam châm điện trong máy lỏi.

ĐCKN - Động cơ khớ nộn loại pitston gồm bộ phận khuếch đại và bộ phận chấp hành

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

Yêu cầu: -Tốc độ bám cực đại V max và sai số bám.

- Các chỉ tiêu chất lượng quá trình quá độ.

Hãy khảo sát hệ thống ĐCTĐ trên và tổng hợp cơ cấu hiệu chỉnh, để hệ thốngthoả mãn các yêu cầu chất lượng

2 Phân tích chức năng của các phần tử

CQ - Con quay ba bậc tự do dùng để đo góc sai lệch.

CAĐL - Chiết áp đo lường dùng để biến đổi tín hiệu góc sai lệch thành tín hiệu điện áp.

KĐT - Khuếch đại từ dùng để cộng và khuếch đại tín hiệu.

KĐĐT - Khuếch đại điện tử nhạy pha.

NCĐ - Nam châm điện trong máy lái.

ĐCKN -Động cơ khí nén loại pitstongồm bộ phận khuếch đại và bộ phận chấp hành.

TBB CKN

ĐIỀU KHIỂN NCĐIỀU KHIỂN

K ĐIỀU KHIỂNĐIỀU KHIỂN T

K T ĐIỀU KHIỂN CAĐIỀU KHIỂN

lL CQ

4.Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ thống

Xột hệ thống làm việc ở chế độ động khi máy bay chuyển động Mục tiêucủa hệ thống là điều chỉnh sự sai lệch đường bay khi thiết bị bay chuyển động lệchđường bay một góc, khi đó con quay ba bậc tự đã xác định sự sai lệch này Tín

hiệu sai lệch này qua chiết áp đo lường được biến đổi thành tín hiệu điện (Điện áp)

Tín hiệu điện áp đi qua bộ KĐT (Khuếch đại sơ bộ) ,qua bộ KĐĐT.Tín hiệu rađược đưa đến máy lái(Bao gồm NCĐ và ĐCKN ) ,dưới tác dụng của NCĐ làm chopitton của ĐCKN dịch chuyển điều chỉnh lại độ lệch của đường bay.Làm giảm độlệch của TBB so với đường bay Như vậy hệ thống có tác dụng làm ổn định đườngbay của TBB

II Phân tích cấu trúc - lập sơ đồ cấu trúc và xác định hàm số truyền của

1

K 1 K 2

K 5 K 6

P (T 2 s+1) TK3s+17

- Đặc tính biên độ tần số loga của W3(s) là trục hoành với 0 < ω ≤ ωg3

- Tại tần số gập ωg3 =142,86(rad/s) đường đặc tính bị gập xuống

−20(dB/dec)

- Sai số lớn nhất trong cách dựng L3(ω) là tại tần số gập và nó bằng

Hình 5: Đặc tính biên độ và pha loga của L 4 ()

Hình 6: Đặc tính biên độ và pha loga của L 5 ()

ch nh hỉ ảnh hưởng đến tính chất động học của hệ thống ở khoảng tần số ảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ưởng đếnng đ n tính ch t đ ng h c c a h th ng kho ng t n sến ấy: Đặc tính L ộ lôga và đặc tính tần số ọc của hệ thống ở mọi khoảng tần số Khâu quán tính ủa từng khâu ta nhận thấy: Đặc tính L ện 1 : Hồ Sỹ Cường ố biên độ lôga và đặc tính tần số ởng đến ảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ần xây dựng đặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số ố biên độ lôga và đặc tính tần số

≥ g t ng ng c a khâu và làm cho đ c tính c a h th ng nghiêngω) của khâu tích ω) của khâu tích ương Đăng Khoa ứng của khâu và làm cho đặc tính của hệ thống nghiêng ủa từng khâu ta nhận thấy: Đặc tính L ặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số ủa từng khâu ta nhận thấy: Đặc tính L ện 1 : Hồ Sỹ Cường ố biên độ lôga và đặc tính tần số

thêm −20(ω) của khâu tíchdB/dec) sau t n s g p.ần xây dựng đặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số ố biên độ lôga và đặc tính tần số ận thấy: Đặc tính L

Nh v y đ i v i h th ng có hàm s truy n trên ta có:ư ận thấy: Đặc tính L ố biên độ lôga và đặc tính tần số ớp chuyên ngành : TBĐT-K56 ện 1 : Hồ Sỹ Cường ố biên độ lôga và đặc tính tần số ố biên độ lôga và đặc tính tần số ền ở trên ta có: ởng đến

- Trong kho ng t n s 0 ≤ ≤ ảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ần xây dựng đặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số ố biên độ lôga và đặc tính tần số ω) của khâu tích ω) của khâu tíchg1 đ nghiêng c a đ c tính Lộ lôga và đặc tính tần số ủa từng khâu ta nhận thấy: Đặc tính L ặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số bđ (ω) của khâu tích )ω) của khâu tích

ch xác đ nh b i đ ngh êng c a khâu tích phân, do đó có đ nghiêng làỉ ảnh hưởng đến tính chất động học của hệ thống ở khoảng tần số ịnh bởi độ nghỉêng của khâu tích phân, do đó có độ nghiêng là ởng đến ộ lôga và đặc tính tần số ỉ ảnh hưởng đến tính chất động học của hệ thống ở khoảng tần số ủa từng khâu ta nhận thấy: Đặc tính L ộ lôga và đặc tính tần số

−20(ω) của khâu tíchdB/dec) và đi qua đi m có t a đ (ω) của khâu tích1; 20log(ω) của khâu tích288)).ểm có tọa độ (1; 20log(288)) ọc của hệ thống ở mọi khoảng tần số Khâu quán tính ộ lôga và đặc tính tần số

- Trong kho ng t n s ảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ần xây dựng đặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số ố biên độ lôga và đặc tính tần số ω) của khâu tíchg1≤ ≤ ω) của khâu tích ω) của khâu tíchg2 do nh hảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ưởng đếnng đ nghiêng khâuộ lôga và đặc tính tần sốquán tính có h ng s th i gian Tằng số thời gian T ố biên độ lôga và đặc tính tần số ời thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường 1 = 0.007(ω) của khâu tíchs) đ c tính Lặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số bđ (ω) của khâu tích ) sẽ nghiêngω) của khâu tíchthêm −20(ω) của khâu tíchdB/dec) và do đó có đ nghiêng t ng c ng là −40(ω) của khâu tíchdB/dec).ộ lôga và đặc tính tần số ổi −20(dB/dec) và do đó ảnh hưởng đến ộ lôga và đặc tính tần số

- Trong kho ng t n s ảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ần xây dựng đặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số ố biên độ lôga và đặc tính tần số ω) của khâu tíchg2 ≤ ≤ ω) của khâu tích ω) của khâu tíchg3 do nh hảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ưởng đếnng đ nghiêng khâuộ lôga và đặc tính tần sốquán tính có h ng s th i gian Tằng số thời gian T ố biên độ lôga và đặc tính tần số ời thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường 2 = 0.05(ω) của khâu tíchs) đ c tính Lặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số bđ (ω) của khâu tích ) sẽ nghiêngω) của khâu tíchthêm −20(ω) của khâu tíchdB/dec) và do đó có đ nghiêng t ng c ng là −60(ω) của khâu tíchdB/dec).ộ lôga và đặc tính tần số ổi −20(dB/dec) và do đó ảnh hưởng đến ộ lôga và đặc tính tần số

- Trong kho ng t n s > ảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ần xây dựng đặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số ố biên độ lôga và đặc tính tần số ω) của khâu tích ω) của khâu tíchg3 do nh hảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ưởng đếnng đ nghiêng khâu quánộ lôga và đặc tính tần sốtính có h ng s th i gian Tằng số thời gian T ố biên độ lôga và đặc tính tần số ời thực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường 3bd= 0.15(ω) của khâu tíchs) đ c tính L(ω) của khâu tích ) sẽ nghiêng thêmặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số ω) của khâu tích

−20(ω) của khâu tíchdB/dec) và do đó có đ nghiêng t ng c ng là −80(ω) của khâu tíchdB/dec).ộ lôga và đặc tính tần số ổi −20(dB/dec) và do đó ảnh hưởng đến ộ lôga và đặc tính tần số

D a vào các k t qu đã tính toán, ta có đ c tính Lực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường ến ảng viên hướng dẫn : TS Trương Đăng Khoa ặc tính tần số biên độ lôga và đặc tính tần số bđ (ω) của khâu tích ) có d ng nhω) của khâu tích ạng như ưsau:

Hình 7: Đặc tính biên độ Lôga của L bđ ( ω ) ban đầu

V Tính toán, xây dựng đặc tính tần số biên độ Loga mong

muốn L mm (ω)

Tính ổn định là điều kiện cần, nhưng chưa phải là điều kiện đủ để xác

định khả năng ứng dụng thực tế kỹ thuật của hệ thống ĐCTĐ và hệ thống

phải thoả mãn các chỉ tiêu chất lượng nhất định trong quá trình làm việc

Ta xác định thông số của đặc tính biên độ tần số loga mong muốn Lmm(ω) ở cácđoạn tần số thấp, tần số trung và ở đoạn tần số cao

1.Các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng đề ra.

- Tốc độ cực đại: Vmax = 20

- Sai số tốc độ: ΔVV =0,1.

- Các chỉ tiêu chất lượng quá trình quá độ: σ max=25 %; T dc=1,3 sec; n=2.

Ta thấy hệ thống chấp nhận sai số không đổi theo vân tốc vì vậy chọn

dạng ĐTTSBĐ 2/1

Dạng đồ thị ĐTTSBĐ loga 2/1 (m = 2, v = 1) có dạng:

Wmm(s) = K v(T2s +1)

s(T1s+1)(T3s +1)

2 Xác định ĐTTS biên độ L mm ()

- Do yêu cầu chất lượng của hệ thống là phải đạt được độ chính xác về tốc

độ ở trạng thái cân bằng (với tín hiệu vào là hàm tăng tuyến tính bậc 1) nênbậc phiếm tĩnh của hệ thống là: υ=1

- Hệ phiếm tĩnh là hệ không có sai số tĩnh

- Đối với hệ phiếm tĩnh bậc một (υ=1) phải thoả mãn yêu cầu đối với sai số theotốc độ, do đó hệ số truyền K mm của hệ thống phải thoả mãn:

K V (ω )≥ V

∆ V=

20 0.1=200

Ta chọn Kmm = 200

- Vì vậy, trong khoảng tần số thấp ω≤ ω g 1 ta có L mm=20 log Kmm−20 log ω, Đặctính biên độ Loga có độ nghiêng (−20 dBdec ) và đi qua điểm (1 ;20 log K mm)=(1 ; 46 )

Trên đồ thị thực nghiệm từ vị trí 25% trục tung bên trái kẻ một đườngngang cắt đồ thị  f P1 max tại vị trí Pmax  1.3

Do đặc tính tần số biên độ logarit của hệ thống L mm (ω) trong khoảng tần sốcao tương ứng với thời gian đầu quá trình quá độ nên ít ảnh hưởng tới tínhchất động học của hệ thống ĐCTĐ vì vậy ta dựng ĐTTS L mm (ω) ở khoảng tần

số cao tùy ý, ở đây ta chọn đặc tính có dạng như đặc tính biên độ ban đầuvới ω≥ ω g 3

2.4.Dựng ĐTTS L mm () trong khoảng tần số liên hợp.

Đoạn liên hợp giữa đoạn thấp và trung tần chọn đoạn này có độ dốc sao chohiệu số độ nghiêng của các đoạn nối tiếp là không quá (−20 dBdec ) Do đó tachọn độ nghiêng đoạn này là: (−40 dBdec ) ta kẻ từ ω2 đoạn thẳng có độ dốc

(−40 dBdec ) đoạn này cắt đặc tính biên độ khoảng thấp tần ở đâu thì đó chính là

2.5 Dựng ĐTTS L mm (ω) mong muốn của hệ mong muốn) mong muốn của hệ mong muốn

Qua các bước tính toán xác định các khoảng tần số, ta xác định được hàm truyền mạch hở mong muốn có dạng như sau:

Wmm(s)= K mm(T 2 m s+1)

s(T 1 m s +1)(T2s +1)2(T1s +1)

=s (52,6 s +1)(0,05 s +1) 200(1,736 s+1)2

(0,007 s+1)

Từ đó ta có đặc tính biên độ, pha Lôga mong muốn như sau:

VI.Tính toán cấu trúc và thông số của cơ cấu hiệu chỉnh nối tiếp

- Để hệ thống làm việc như đặc tính mong muốn, ta phảimắc vào hệ thống cơ cấu hiệu chỉnh nối tiếp hoặc song song Ở đây, tachọn cách mắc nối tiếp Sau khi mắc cơ cấu hiệu chỉnh nối tiếp thìHST của hệ thống như mong muốn:

W mm ( s)=W h ( s ) W nt ( s)

Trong đó:

Lmm(ω)

Lbd(ω)

W h (s ): hàm số truyền của hệ thống hở ban đầu.

W mm ( s): hàm số truyền mong muốn của hệ thống

W nt ( s): hàm số truyền của cơ cấu nối tiếp (cần xác định)

Dựa vào các kết quả đã tính ở trên, ta có đường đặc tính của Lbd(ω), Lmm(ω) và

Lnt(ω) có dạng như sau:

Hình 10: Đặc tính biên độ Lôga của L bd ( ω ), L mm ( ω ), L hc ( ω )

VII Hi n ện th c ực hóa khâu i u điều ều ch nh ỉnh

D a ựa v o ào h m s truy n ào ố truyền ền W nt (s) ta có th coi c c u hi u ể coi cơ cấu hiệu ơ cấu hiệu ấu hiệu ệu ch nh ỉnh g m ồm

m t khâu ột khâu tích phân m c ắc n i ố truyền ti p ếp v i ới m t ột khâu khâu vi phân Ta i đi tính toán

thông số truyền m ng 4 c c ạng 4 cực ựa cho t ng ừng khâu:

L hc(ω)

L hc(ω)

L hc(ω)

R vp 3=5000(Ω)

R vp1=45000(Ω)Lúc này tham s th c t c a m ch vi phân là:ố biên độ lôga và đặc tính tần số ực hiện 1 : Hồ Sỹ Cường ến ủa từng khâu ta nhận thấy: Đặc tính L ạng như

Tvp1=0,15; Tvp2= 0,05; Kvp=0,3

VIII.Khảo sát hệ thống sau khi hiệu chỉnh

1.Trước khi hiệu chỉnh

S d ng công c SIMULINK ta có điược mô hình của hệ thống kín ban đầuc mô hình c a h th ng kín ban ủa hệ thống kín ban đầu ệu ố truyền điầuu(trướic khi hi u ch nh) có d ng nh hình 8:ệu ỉnh ạng 4 cực ư

Hình 11: Mô hình c a h th ng kín ban ủa hệ thống kín ban đầu (trước khi hiệu chỉnh) ện ống kín ban đầu (trước khi hiệu chỉnh) điềuầu (trước khi hiệu chỉnh) u (tr ước khi hiệu chỉnh) c khi hi u ch nh) ện ỉnh

Đặc tính quá độ trước khi hiệu chỉnh có dạng như hình 9:

Hình 12: Đặc tính quá độ trước khi hiệu chỉnh c tính quá điềuộ trước khi hiệu chỉnh ước khi hiệu chỉnh) tr c khi hi u ch nh ện ỉnh

2.Sau khi hiệu chỉnh

Khi m c n i ti p khâu n i ti p Wnt(s) ã tìm ắc ố truyền ếp ố truyền ếp đi điược mô hình của hệ thống kín ban đầuc, mô hình c a h ủa hệ thống kín ban đầu ệu

th ng kín sau khi hi u ch nh có d ng nh hình 10 ố truyền ệu ỉnh ạng 4 cực ư ĐIỀU KHIỂNặc tính quá độ sau khi hiệuc tính quá điột khâu sau khi hi uệu

ch nh có d ng nh hình 11 Trên c s ỉnh ạng 4 cực ư ơ cấu hiệu ở đặc tính quá độ được thể hiện ở hình điặc tính quá độ sau khi hiệuc tính quá điột khâu điược mô hình của hệ thống kín ban đầuc th hi n hình ể coi cơ cấu hiệu ệu ở đặc tính quá độ được thể hiện ở hình

17, h th ng sau khi hi u ch nh có t n t i giá tr hệu ố truyền ệu ỉnh ồm ạng 4 cực ị h ∞ = lim t→∞h (t) = 1 nên h ệu

th ng sau khi hi u ch nh n ố truyền ệu ỉnh ổn định Với các chỉ tiêu chất lượng σ = 23,7%; tdc = điị hnh V i các ch tiêu ch t lới ỉnh ấu hiệu ược mô hình của hệ thống kín ban đầung = 23,7%; tdc = σ = 23,7%; tdc = 1.29(s); n = 2 ho n to n th a mãn yêu c u ào ào ỏa mãn yêu cầu đề bài ầu điền ào b i