Để xây dựng mô hình điều khiển Servo sử dụng các động cơ DC với các tham số được mô tả theo bảng sau đây: ví dụ khoanh đỏ là bộ tham số của 1 động cơ.. Kết quả mô phỏng vòng điều khiển
WINDING TYPE -220E
BỘ THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ
Sử dụng Simulink để xây dựng mô hình động cơ DC như hình sau:
Hình 4 Mô hình động cơ DC.
TÍNH TOÁN & LỰA CHỌN THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ VÀ NHẬN XÉT VỀ KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN
1 Bộ điều khiển dòng điện
• Lựa chọn và xác định tham số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng điều khiển:
→ Đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc 2 → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng:
- Tham số bộ điều khiển được tổng hợp bằng phương pháp tối ưu module Ta được:
Vậy bộ điều khiển dòng điện động cơ DC là bộ PI được tổng hợp bằng phương pháp tối ưu module có dạng:
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển dòng điện bằng Simulink
Hình 5 Mô phỏng vòng điều khiển dòng điện bằng Simulink
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển dòng điện
Hình 6 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển dòng điện
• Nhận xét về kết quả điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển dòng diện bám sát vào giá trị đặt (10A)
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 200μs
2 Bộ điều khiển tốc độ
2.1 Điều khiển tốc độ CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN
• Lựa chọn và xác định tham số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng:
→ Đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc một → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng:
- Tham số của bộ điều khiển được tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng Chọn 𝑎 𝑤 = 4 = 𝑇 𝑖𝑤
Vậy bộ điều khiển tốc độ có vòng điều khiển dòng điện của động cơ DC là bộ
PI được tổng hợp tham số theo phương pháp tối ưu đối xứng có dạng:
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (có vòng điều khiển dòng điện bên trong) bằng Simulink
Hình 7 mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (có vòng điều khiển dòng điện bên trong) bằng Simulink
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (có vòng điều khiển dòng điện bên trong)
Hình 8 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (có vòng điều khiển dòng điện bên trong)
• Nhận xét về kết quả điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển tốc độ bám sát vào giá trị đặt 10
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 350μs
2.2 Điều khiển tốc độ KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN
• Lựa chọn và xác định tham số của bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng:
Đối tượng điều khiển được đơn giản hóa thành khâu tích phân quán tính bậc nhất do hệ số thời gian nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế bộ điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
→ Đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc nhất → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng:
- Tham số của bộ điều khiển được tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng Chọn 𝑎 𝑤 = 4 = 𝑇 𝑖𝑤
Bộ điều khiển tốc độ động cơ DC không vòng dòng điện là bộ PI, được thiết kế với tham số tối ưu đối xứng.
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (KHÔNG có vòng điều khiển dòng điện bên trong) bằng Simulink
Hình 9 mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (KHÔNG có vòng điều khiển dòng điện bên trong) bằng Simulink
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (KHÔNG có vòng điều khiển dòng điện bên trong)
Hình 10 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (KHÔNG có vòng điều khiển dòng điện bên trong)
• Nhận xét về kết quả điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển tốc độ bám sát vào giá trị đặt 10
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 1.2ms
3 Bộ điều khiển vị trí
Để triệt tiêu sai số xác lập trong điều khiển tốc độ, phương pháp điều khiển tối ưu đối xứng được sử dụng, kết hợp bộ điều khiển PID với bộ tiền xử lý có hàm truyền tương đương.
3.1 Điều khiển vị trí CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG VÀ TỐC ĐỘ
• Lựa chọn và xác định tham số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng:
→ Đối tượng điều khiển là khâu tích phân quán tính bậc nhất → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng:
- Tham số bộ điều khiển được tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng
Bộ điều khiển vị trí động cơ DC với vòng điều khiển dòng và tốc độ sử dụng bộ PI, được tổng hợp tham số theo phương pháp tối ưu đối xứng.
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ và dòng điện)
Hình 11 Mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ và dòng điện)
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ và dòng điện)
Hình 12 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ và dòng điện)
• Nhận xét về kết quả điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển vị trí bám sát vào giá trị đặt 10 -5
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 1.5ms
3.2 Điều khiển vị trí CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, KHÔNG CÓ
• Lựa chọn và xác định tham số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng:
→ Đối tượng điều khiển là khâu tích phân quán tính bậc nhất → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng
- Tham số của bộ điều khiển được tổng hợp bằng phương pháp tối ưu đối xứng
Bộ điều khiển vị trí cho động cơ DC, với vòng điều khiển tốc độ và không có vòng điều khiển dòng điện, sử dụng bộ PI được thiết kế theo phương pháp tối ưu đối xứng.
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển vị trí (CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN) bằng
Hình 13 Mô phỏng vòng điều khiển vị trí (CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ,
KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN) bằng Simulink
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN)
Hình 14 Kết quảmô phỏng vòng điều khiển vị trí (CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ,
KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN)
• Nhận xét về kết quả điều khiển
Vòng điều khiển vị trí với vòng tốc độ nhưng thiếu vòng dòng điện thường dẫn đến thời gian xác lập chậm và hiệu suất điều khiển vị trí kém, thậm chí có thể không khả thi hoặc không điều khiển được trong mô phỏng.
Sử dụng Tune để tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển vị trí, trong khi vẫn giữ nguyên các tham số của bộ điều khiển tốc độ, giúp cải thiện hiệu suất hệ thống.
Hình 15 Tìm thông số bộ điều khiển vị trí bằng phương pháp Tune
- Ta tìm được thông số bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển vị trí
→ Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ, không có vòng điều khiển dòng điện)
Hình 16 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ, không có vòng điều khiển dòng điện) sử dụng phương pháp Tune
→ Nhận xét về kết quả vòng điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển vị trí bám sát vào giá trị đặt 10 -5
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 4.2ms
3.3 Điều khiển vị trí KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG VÀ TỐC ĐỘ
- Hàm truyền tương đương của đối tượng
→ Đối tượng là khâu quán tính, tích phân bậc 2 → Sử dụng bộ điều khiển PD có dạng:
- Sử dụng Tune để tìm tham số cho bộ điều khiển PD
Hình 17 Tìm thông số bộ điều khiển vị trí bằng phương pháp Tune
- Ta được tham số của bộ điều khiển PD:
Bộ điều khiển vị trí không vòng tốc độ và dòng điện của động cơ DC là bộ PD, được tổng hợp tham số theo phương pháp tối ưu đối xứng với công thức \$T_d \theta = 0.00136\$.
• Kết quả mô phỏng bộ điều khiển vị trí bằng phương pháp Tune
Hình 18 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển vị trí bằng phương pháp Tune
• Nhận xét về kết quả mô phỏng:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển vị trí bám sát vào giá trị đặt 10 -5
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 0.015s
WINDING TYPE -208E
I BỘ THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ
II XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ
Sử dụng Simulink để xây dựng mô hình động cơ DC như hình sau:
Hình 19 Mô hình động cơ DC
III TÍNH TOÁN & LỰA CHỌN THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ VÀ NHẬN XÉT VỀ KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN
1 Bộ điều khiển dòng điện
• Lựa chọn và xác định tham số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng điều khiển:
→ Đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc 2 → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng:
- Tham số bộ điều khiển được tổng hợp bằng phương pháp tối ưu module Ta được:
Vậy bộ điều khiển dòng điện động cơ DC là bộ PI được tổng hợp bằng phương pháp tối ưu module có dạng:
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển dòng điện bằng Simulink
Hình 20 Mô phỏng vòng điều khiển dòng điện bằng Simulink
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển dòng điện
Hình 21 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển dòng điện
• Nhận xét về kết quả điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển dòng diện bám sát vào giá trị đặt (10A)
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 125μs
2 Bộ điều khiển tốc độ
2.1 Điều khiển tốc độ CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN
• Lựa chọn và xác định tham số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng:
→ Đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc một → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng:
- Tham số của bộ điều khiển được tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng Chọn 𝑎 𝑤 = 4 = 𝑇 𝑖𝑤
Vậy bộ điều khiển tốc độ có vòng điều khiển dòng điện của động cơ DC là bộ
PI được tổng hợp tham số theo phương pháp tối ưu đối xứng có dạng:
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (có vòng điều khiển dòng điện bên trong) bằng Simulink
Hình 22 mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (có vòng điều khiển dòng điện bên trong) bằng Simulink
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (có vòng điều khiển dòng điện bên trong)
Hình 23 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (có vòng điều khiển dòng điện bên trong)
• Nhận xét về kết quả điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển tốc độ bám sát vào giá trị đặt 10
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 400μs
2.2 Điều khiển tốc độ KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN
• Lựa chọn và xác định tham số của bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng:
Đối tượng điều khiển được đơn giản hóa thành khâu tích phân quán tính bậc nhất do hệ số thời gian nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế bộ điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
→ Đối tượng là khâu tích phân quán tính bậc nhất → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng:
- Tham số của bộ điều khiển được tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng Chọn 𝑎 𝑤 = 4 = 𝑇 𝑖𝑤
Bộ điều khiển tốc độ cho động cơ DC không có vòng điều khiển dòng điện thường là bộ PI, được thiết kế với các tham số tối ưu theo phương pháp đối xứng để đạt hiệu suất cao nhất.
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (KHÔNG có vòng điều khiển dòng điện bên trong) bằng Simulink
Hình 24 mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (KHÔNG có vòng điều khiển dòng điện bên trong) bằng Simulink
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (KHÔNG có vòng điều khiển dòng điện bên trong)
Hình 25 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển tốc độ (KHÔNG có vòng điều khiển dòng điện bên trong)
• Nhận xét về kết quả điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển tốc độ bám sát vào giá trị đặt 10
+ Thời gian đỏp ứng nhanh: 700às
3 Bộ điều khiển vị trí
Để triệt tiêu sai số xác lập trong điều khiển tốc độ, phương pháp điều khiển tối ưu đối xứng được sử dụng, kết hợp bộ điều khiển PID với bộ tiền xử lý có hàm truyền tương đương.
3.1 Điều khiển vị trí CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG VÀ TỐC ĐỘ
• Lựa chọn và xác định tham số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng:
→ Đối tượng điều khiển là khâu tích phân quán tính bậc nhất → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng:
- Tham số bộ điều khiển được tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng
Bộ điều khiển vị trí động cơ DC với vòng điều khiển dòng và tốc độ sử dụng bộ PI, được tổng hợp tham số theo phương pháp tối ưu đối xứng.
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ và dòng điện)
Hình 26 Mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ và dòng điện)
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ và dòng điện)
Hình 27 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ và dòng điện)
• Nhận xét về kết quả điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển vị trí bám sát vào giá trị đặt 10 -5
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 2.5ms
3.2 Điều khiển vị trí CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, KHÔNG CÓ
• Lựa chọn và xác định tham số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng:
→ Đối tượng điều khiển là khâu tích phân quán tính bậc nhất → Sử dụng bộ điều khiển PI có dạng
- Tham số của bộ điều khiển được tổng hợp bằng phương pháp tối ưu đối xứng
Bộ điều khiển vị trí có vòng điều khiển tốc độ, không có vòng điều khiển dòng điện của động cơ DC là bộ PI Các tham số của bộ PI này được tổng hợp theo phương pháp tối ưu đối xứng Giá trị của biểu thức 2750000 × 0.00008 × √4 là 0.00227.
• Thực hiện mô phỏng vòng điều khiển vị trí (CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN) bằng
Hình 28 Mô phỏng vòng điều khiển vị trí (CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ,
KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN) bằng Simulink
• Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN)
Hình 29 Kết quảmô phỏng vòng điều khiển vị trí (CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ,
KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN)
• Nhận xét về kết quả điều khiển
Vòng điều khiển vị trí với vòng điều khiển tốc độ nhưng thiếu vòng điều khiển dòng điện dẫn đến dao động điều hòa quanh điểm làm việc, gây khó khăn trong việc xác định thời gian xác lập Điều này làm cho hệ thống kém hiệu quả, không khả thi, hoặc thậm chí không thể điều khiển được trong mô phỏng lý thuyết.
Sử dụng Tune để tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển vị trí, trong khi vẫn giữ nguyên các tham số của bộ điều khiển tốc độ, giúp cải thiện hiệu suất hệ thống.
Hình 30 Tìm thông số bộ điều khiển vị trí bằng phương pháp Tune
- Ta tìm được thông số bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển vị trí
→ Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ, không có vòng điều khiển dòng điện)
Hình 31 Kết quả mô phỏng vòng điều khiển vị trí (có vòng điều khiển tốc độ, không có vòng điều khiển dòng điện) sử dụng phương pháp Tune
→ Nhận xét về kết quả vòng điều khiển:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển vị trí bám sát vào giá trị đặt 10 -5
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 3ms
3.3 Điều khiển vị trí KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG VÀ TỐC ĐỘ
• Lựa chọn và tính toán thông số bộ điều khiển
- Hàm truyền tương đương của đối tượng
→ Đối tượng là khâu quán tính, tích phân bậc 2 → Sử dụng bộ điều khiển PD có dạng:
- Sử dụng Tune để tìm tham số cho bộ điều khiển PD
Hình 32 Tìm thông số bộ điều khiển vị trí bằng phương pháp Tune
- Ta được tham số của bộ điều khiển PD:
Bộ điều khiển vị trí không vòng tốc độ và dòng điện của động cơ DC là bộ PD được thiết kế theo phương pháp tối ưu đối xứng với tham số \( T_d \theta = 0.0004 \).
• Kết quả điều khiển vị trí KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG VÀ TỐC ĐỘ
Hình 33 Kết quả điều khiển vị trí KHÔNG CÓ VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG VÀ TỐC ĐỘ
• Nhận xét về kết quả mô phỏng:
+ Vòng điều khiển cho ra được kết quả điều khiển vị trí bám sát vào giá trị đặt 10 -5
+ Thời gian đáp ứng nhanh: 4.1ms
TỔNG HỢP VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN CỦA HAI BỘ THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ
WINDING TYPE -208E ĐÁNH GIÁ Điều khiển tốc độ
Có vòng điều khiển dòng điện
Thời gian đỏp ứng: 350às Thời gian đỏp ứng: 400às
Bộ 220E đáp ứng thời gian nhanh hơn
