giáo trình thực hành điều khiển tự động

Khảo sát mô hình điều khiển vị trí động cơ DC:...20 Bài thí nghiệm 3: ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG...22 I... Lúc này giá trị K sẽ hiển thị lên hình vẽ

CƠ SỞ THANH HÓA – KHOA CÔNG NGHỆ

NĂM 2017

MỤC LỤC

Bài thí nghiệm 1: ỨNG DỤNG MATLAB PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1

I MỤC ĐÍCH 1

II CHUẨN BỊ 1

III THÍ NGHIỆM: 1

III.1 TÌM HÀM TRUYỀN TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA HỆ THỐNG: 1

III.2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG DÙNG BIỂU ĐỒ BODE 2

III.3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG DÙNG NYQUIST 4

III.4 KHẢO SÁT HỆ THỐNG DÙNG PHƯƠNG PHÁP QĐNS 4

III.5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG 5

TÓM TẮT LÝ THUYẾT LIÊN QUAN BÀI THÍ NGHIỆM 1 7

1 Đáp ứng theo miền tần số được xác định trên cơ sở: 7

2 Đáp ứng theo miền thời gian được xác định trên cơ sở: 8

3 Đặc tính tần số (Bode và Nyquist): 9

Bài thí nghiệm 2: ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 10

I MỤC ĐÍCH: 10

II CHUẨN BỊ: 10

II.1 Các khối được sử dụng trong bài thí nghiệm: 11

II.2 Các bước tiến hành để xây dựng một ứng dụng mới trong Simulink: 12

III THÍ NGHIỆM: 13

III.1 Khảo sát mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ: 13

III.1.a Khảo sát hệ hở, nhận dạng hệ thống theo mô hình Ziegler-Nichols: 13

III.1.b Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON-OFF: 15

III.1.c Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ dùng phương pháp Ziegler-Nichols (điều khiển PID): 17

III.2 Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ, vị trí động cơ DC: 18

III.2.a Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ động cơ DC: 18

III.2.b Khảo sát mô hình điều khiển vị trí động cơ DC: 20

Bài thí nghiệm 3: ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 22

I MỤC ĐÍCH: 22

II CHUẨN BỊ: 22

III THÍ NGHIỆM: 23

III.1 Thiết kế bộ hiệu chỉnh sớm pha: 23

III.2 Thiết kế bộ hiệu chỉnh trễ pha: 29

III.3 Thiết kế bộ hiệu chỉnh sớm _trễ pha: 33

Bài thí nghiệm 4: ỨNG DỤNG MATLAB PHÂN TÍCH HỆ RỜI RẠC 35

I.MỤC ĐÍCH: 35

II.CHUẨN BỊ: 35

III.THÍ NGHIỆM: 36

III.1 Tìm hàm truyền tương đương của hệ thống rời rạc: 36

III.2 Phân tích hệ thống rời rạc: 36

III.2.a Cho biến đổi z của một tín hiệu: 36

III.2.b Cho hệ thống liên tục có hàm truyền: 36

III.2.c Hệ thống có hàm truyền rời rạc sau: 37

III.3 Thiết kế bộ điều khiển PID rời rạc: 37

Bài thí nghiệm 5: KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ 41

I MỤC ĐÍCH: 41

II SƠ SỞ LÝ THUYẾT: 41

2.1 Bộ điều khiển PID số 41

2.2 Đặc trưng của các bộ điều khiển P, I, D 41

III MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 41

IV CHUẨN BỊ TRƯỚC THÍ NGHIỆM 42

4.1 Điều khiển tốc độ mô hình động cơ DC 42

4.2 Điều khiển vị trí mô hình động cơ DC 43

V THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 43

5.1 Điều khiển tốc độ động cơ DC 43

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM 47

Bài thí nghiệm 6: CÁC BÀI THÍ NGHIỆM LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG PHẦN HỆ XUNG SỐ VÀ PHI TUYẾN 48

I MỤC ĐÍCH: 48

II CHUẨN BỊ: 48

II.1 Các khối được sử dụng trong bài thí nghiệm: 49

II.2 Các bước tiến hành để xây dựng một ứng dụng mới trong SIMULINK:.50 III THÍ NGHIỆM: Khảo sát đặc tính động học và tính ổn định của hệ xung số: 51

III.1.Khảo sát đặc tính động học của hệ xung số 51

III.2 Khảo sát tính ổn định của hệ thống xung số 52

YÊU CẦU VIẾT BÁO CÁO 53

Bài thí nghiệm 7: ĐIỂU KHIỂN PID ĐỘNG CƠ DC 54

I MỤC TIÊU 54

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 54

1 Bộ điều khiển PID rời rạc 54

2 Đặc điểm bộ điều khiển PID rời rạc 54

III MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC_CARDSTM32F4 55

1 Sơ đồ khối hệ thống: 55

2 Sơ đồ bộ điều khiển PID rời rạc: 56

IV THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC.56

Bài thí nghiệm 1 ỨNG DỤNG MATLAB PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

I MỤC ĐÍCH

Matlab là một trong những phần mềm thông dụng nhất dùng để phân tích, thiết kế và

mô phỏng các hệ thống điều khiển tự động Trong bài thí nghiệm này, sinh viên sửdụng các lệnh của matlab để phân tích hệ thống, đặc tính quá độ, sai số xác lập…

II CHUẨN BỊ

Để chuẩn bị các yêu cầu trong bài thí nghiệm này sinh viên cần phải chuẩn bị các lệnh

cơ bản của Matlab Khi khởi động chương trình matlab, cửa sổ Command Windowvới dấu nhắc lệnh “>>” Để thực hiện các lệnh, sinh viên phải gõ các lệnh từ bàn phímtheo sau dấu nhắc này

Sinh viên cần tham khảo sách phụ lục chương 2 (trang 85) trong sách Lý thuyết điều khiển tự động (tác giả Nguyễn Thị Phương Hà - Huỳnh Thái Hoàng) để hiểu rõ các

lệnh cơ bản về phân chia đa thức, biểu diễn hàm truyền hệ thống và kết nối các khốitrong hệ thống

Ngoài ra để phân tích đặc tính của hệ thống sinh viên cần phải hiểu kĩ các lệnhsau:

 b ode(G): vẽ biểu đồ bode biên độ và pha của hệ thống có hàm truyền G

 n yquist(G): vẽ biểu đồ nyquist hệ thống có hàm truyền G

 r locus(G): vẽ QĐNS hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở G

 s tep(G): vẽ đáp ứng nấc của hệ thống có hàn truyền G

 h old on: giữ hình vẽ hiện tại trong cửa sổ figure Các lệnh này hữu ích khi

ta cần vẽ nhiều biểu đồ trong cùng một cửa sổ figure Sau khi vẽ xong biểu đồthứ nhất, ta gõ lệnh hold on để giữ vững hình vẽ sau đó vẽ tiếp các biểu đồkhác Các biểu đồ lúc sau sẽ đè lên biểu đồ thứ nhất, ta dùng lênh hold on đểgiữ lại hình vẽ trong cùng một cửa sổ Figure này Nếu không muốn giữ hìnhnữa Dùng lệnh hold off

 g rid on: kẻ lưới trên của sổ figure

Chú ý:sinh viên tham khảo phần help của Matlab để nắm rõ chức năng và cú pháp của

Bằng cách sử dụng các lệnh cơ bản conv, tf, series, parallel, feedback ở phần phụ lục

chương 2 trong sách lý thuyết điều khiển tự động (trang 85), tìm biểu thức hàm truyềntương đương G(s) của hệ thống sau:

G1(s)

G3(s)

C(s) R(s)

Bước đầu tiên nhập hàm truyền cho hệ thống G1, G2… dùng các lệnh tf Sau đó, tùy

theo cấu trúc của các khối, mắc nối tiếp hay song song hay hồi tiếp mà ta ta gõ các

lệnh series, parallel hay feedback tương ứng để để thực hiện việc kết nối các khối lại

với nhau Trong báo cáo chỉ rõ trình tự thực hiện các bước này

 G13=G1+G3, toán tử “+” có thể tính hàm truyền tương đương của nhiều hệ

thống ghép song song Tiếp tục tính tương tự các khối còn lại

 Toán tử “*” có thể thay cho lệnh series, toán tử “*” có thể tính hàm truyền

tương đương của nhiều hệ thống ghép nối tiếp

 Lệnh mineral (G): tối giản hàm truyển.

 Lệnh feedback (G, H): tìm hàm truyền của hệ thống hồi tiếp âm.

 Lệnh feedback (G, H, +1): tìm hàm truyền của hệ thống hồi tiếp dương.

III.2 KHẢO SÁT HỆ THỐNG DÙNG BIỂU ĐỒ BODE

a Với K=10, vẽ biểu đồ Bode biên độ và pha hệ thống trên trong khoảng tần số(0.1,100)

b Dựa vào biểu đồ Bode tìm tần số cắt biên, độ dự trữ biên, tần số cắt pha, độ dựtrữ pha của hệ thống

c Hệ thống trên có ổn định không Giải thích

d Vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống trên với đầu vào hàm nấc đơn vị trong khoảngthời gian t =0:10s để minh hoạ kết luận ở câu c

e Với K=400, thực hiện lại các yêu cầu từ câu a đến d

Khi ta cần xác định điểm nào trên biểu đồ ta chỉ cần nhấp chuột vào vị trí đó

Lúc đó giá trị biên độ hay góc pha sẽ hiện thị ra như hình vẽ

 Để chèn chúthích lênhình vẽ tavào menu

Insert/Text

sau đó gõ kí

tự vào vị trícần chúthích

 Để lưu hình

vẽ vào File/ Export của

sổ exporthiện ra.Trong thư

mục Save as type ta chọn mục bitmap files (*.bmp) để lưu hình.

Để đáp ứng nấc của hệ thống kín trong khoảng thời gian (0, T) ta nhập lệnh

step(Gk,T) trong đó Gk là hàm truyền vòng kín Vì hàm truyền G(s) là hàm truyền

vòng hở nên trước tiên ta phải tính hàm truyền vòng kín Gk=feedback(G,1) sau đó mới nhập lệnh sau đó nhập lệnh step(Gk,T).

III.3 KHẢO SÁT HỆ THỐNG DÙNG NYQUIST

 Mục đích:

Từ biểu đồ nyquist của hệ hở G(s) ta tìm độ dự trữ biên và độ dự trữ pha của hệ thống

vòng kín hồi tiếp âm đơn vị Sau đó nhận xét sự ổn định của hệ thống

a Với K=10, vẽ biểu đồ Nyquist của hệ thống.

b Dựa vào biểu đồ Nyquist, tìm độ dự trữ pha, độ dự trữ biên của hệ thống Lưu

biểu đồ bode thành file *.bmp để chèn vào file word để làm báo cáo

c Hệ thống có ổn định không? Giải thích So sánh kết quả với III.2

d Với K=400, thực hiện lại các yêu cầu từ a tới c

III.4 KHẢO SÁT HỆ THỐNG DÙNG PHƯƠNG PHÁP QĐNS

>>grid on;

Để tìm Kgh nhấp chuột vào vị trí cắt nhau giữa QĐNS với trục ảo Lúc này giá trị K

sẽ hiển thị lên hình vẽ sau:

 Gain: giá trị độ lợi K tại ví trí nhấp chuột

 Pole: cực của hệ thống vòng kín tương ứng với giá trị K

 Dampling : hệ số tắt

 Overshoot: độ vọt lố

 Frequence: tần số dao động tư nhiên

 (A): Vòng tròn các điểm có cùng tần số dao dộng tự nhiên ωn=4

Với hệ thống như hình III.4:

a Với giá trị K=Kgh tìm được ở trên vẽ đáp ứng ở trên của hệ thống với đầu vào,hàm nấc đơn vị Kiểm chứng ngõ ra của hệ thống đáp ứng ngõ ra có dao độngkhông

b Với giá trị K tìm được ở câu d phần III.4 vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống vòngkín với đầu vào hàm nấc đơn vị trong khoảng thời gian t=0-5s Từ hình vẽ, tìm

độ vọt lố và sai số xác lập của hệ thống Kiểm chứng lại hệ thống có độ vọt lố

có POT=25% không Lưu hình và viết báo cáo

c Với giá trị tìm được ở câu e hình phần III.4 vẽ đáp ứng quá độ hệ thống vòngkín với hàm nấc đơn vị với t=0:5s Từ hình vẽ tìm độ vọt lố và sai số xác lập.Kiểm chứng lại hệ thống có txl=4s không Lưu hình và viết báo cáo

d Vẽ hai đáp ứng quá độ ở câu b, c trên cùng một hình vẽ Chú thích hình vẽ đápứng nào tương ứng với K đó Lưu hình vẽ và viết báo cáo

 Hướng dẫn:

Hàm truyền ở phần III.4 là hàm truyền vòng hở nên trước tiên ta phải chuyển về

hàm truyền vòng kín bằng lệnh Gk=feedback(70*G,1) với K=70 và lệnh step(Gk,T)

Đáp ứng quá độ hiển thị như hình vẽ Để hiển thị các chú thích về độ vọt lố, thời gian xác lập ta nhấp chuột phải Với menu hiện ra:

 Peak Responese: tìm POT

 Settling time: txl

 Rise time: thời gian lên

Có thể chọn Grid để dễ dàng cho việc tính toán các giá trị Sau khi vẽ xong hình thứ

nhất, sử dụng lệnh hold on để giữ hình, sau đó nếu tiếp tục vẽ hình thì hình lần sau sẽ

không xoá mất hình vẽ thứ nhất

TÓM TẮT LÝ THUYẾT LIÊN QUAN BÀI THÍ

NGHIỆM 1

Cho hệ thống như hình vẽ:

 N(s): Đa thức tử

( ) ( )

M j : biên độ (dB)

( )

M j

 : Pha ( tính bằng độ

Biên độ của biểu đồ bode: L( ) 20log  10 M j( )dB

1 Đáp ứng theo miền tần số được xác định trên cơ sở:

Y(s) R(s)

BW=p n (1 2 ) 2  44 422Tần số cắt pha : Tần số cắt tại đó pha của G j( ) (H j) là -1800

Tần số cắt biên  : c Tần số cắt tại đó biên độ của G j( ) (H j) là 0 dB

C(s) R(s) E(s)

Sai số hệ thống:

Sai số xác lập: e(t)= r(t) – b(t)

ess= limt_  e(t)Ứng dụng định lý giá trị cuối:

( ) lim

1 ( ) ( )

ss s

sR s e

G s H s

 



Đáp ứng quá độ với r(t) = 1(t) ta thấy:

a Độ vọt lố:

Độ vọt lố lớn nhất= Ymax - Yss

 y(t): Đáp ứng hàm nấc

 ymax: Giá trị y(t) lớn nhất

 yss: Giá trị xác lập của y(t)

c Thời gian tăng lên: tp là thời gian y(t) đạt 10% đến 90%.

d Thời gian xác lập: ts là thời gian y(t) đạt đến 95% giá trị cuối hay sai số 5%

e Thời gian quá độ:

Theo tiêu chuẩn 5%:

Tiêu chuẩn ổn định Nyquist:

 Hệ thống kín Gk(s) ổn định nếu đường cong Nyquist của hệ hở G(s) bao điểm 1,j) l/2 vòng theo chiều dương ( ngược chiều kim đồng hồ) khi ω thay đổi từ 0đến +  trong đó l là số cực nằm bên phải mặt phẳng phức của hệ hở G(s)

(-Ví dụ:

Bài thí nghiệm 2 ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG

VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG

I MỤC ĐÍCH:

Simulink là một công cụ rất mạnh của Matlab để xây dựng các mô hình một cách trực

quan và dễ hiểu Để mô tả hay xây dựng hệ thống ta chỉ cần liên kết các khối có sẵn

trong thư viện của Simulink lại với nhau Sau đó, tiến hành mô phỏng hệ thống để

xem xét ảnh hưởng của bộ điều khiển đến đáp ứng quá độ của hệ thống và đánh giáchất lượng hệ thống

II CHUẨN BỊ:

Để thực hiện các yêu cầu trong bài thí nghiệm này, sinh viên cần phải chuẩn bị kỹ và

hiểu rõ các khối cơ bản cần thiết trong thư viện của Simulink Sau khi khởi động Matlab 6.5, ta gõ lệnh simulink hoặc nhấn vào nút simulink trên thanh công cụ thì cửa

sổ Simulink hiện ra:

II.1 Các khối được sử dụng trong bài thí nghiệm:

a Các khối nguồn – tín hiệu vào (source):

b Các khối tải – thiết bị khảo sát ngõ ra (sink):

c Các khối xử lý – khối động học:

II.2 Các bước tiến hành để xây dựng một ứng dụng mới trong Simulink:

 Sau khi khởi động Matlab, gõ lệnh Simulink hoặc nhấn vào nút simulink trên thanh công cụ thì cửa sổ Simulink hiện ra (như ở hình vẽ Trang 1)

 Trong cửa sổ Simulink, vào menu File / New để mở cửa sổ cho một ứng dụng mới Kích chuột vào các thư viện đã giới thiệu ở mục II.1 để chọn khối cần tìm.

Kích chuột trái vào khối này, sau đó kéo và thả vào cửa sổ ứng dụng vừa mới tạo

ra Double click vào khối này để cài đặt và thay đổi các thông số

 Có thể nhân số lượng các khối bằng cách dùng chức năng Copy và Paste Kích

chuột trái nối các ngõ vào / ra của các khối để hình thành sơ đồ hệ thống

 Có thể dời một hoặc nhiều khối từ vị trí này đến vị trí khác bằng cách nhấp chuột

để chọn các khối đó và kéo đến vị trí mới Dùng phím Delete để xóa các phần

không can thiết hay bị sai khi chọn

 Có thể viết chú thích trong cửa sổ ứng dụng bằng cách double click vào một vị trí

trống và gõ câu chú thích vào Vào menu Format / Font để thay đổi kiểu chữ.

 Như vậy, mô hình hệ thống đã xây dựng xong Bây giờ tiến hành mô phỏng hệ

thống bằng cách vào menu Simulation / Simulation Parameters để cài đặt các thông số mô phỏng Cửa sổ Simulation Parameters hiện ra như sau:

 Chạy mô phỏng bằng cách vào menu Simulation /

Start Khi thời gian mô phỏng bằng giá trị Stop time thì quá trình mô phỏng dừng

lại Trong quá trình mô phỏng, nếu ta muốn dừng nửa chừng thì vào menu

Simulation / Stop.

III THÍ NGHIỆM:

III.1 Khảo sát mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ:

III.1.a Khảo sát hệ hở, nhận dạng hệ thống theo mô hình Ziegler-Nichols:

 Mục đích:

Đặc trưng của lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt Từ khi bắt đầu cung cấp nănglượng đầu vào cho lò nhiệt, nhiệt độ của lò bắt đầu tăng lên từ từ Để nhiệt độ lò đạt tớigiá trị nhiệt độ cần nung thì thường phải mất một khoảng thời gian khá dài Đây chính

là đặc tính quán tính của lò nhiệt Khi tuyến tính hoá mô hình lò nhiệt, ta xem hàmtruyền của lò nhiệt như là một khâu quán tính bậc 2 hoặc như là một khâu quán tínhbậc nhất nối tiếp với khâu trễ Trong bài thí nghiệm này ta xem mô hình lò nhiệt như làmột khâu quán tính bậc 2

Trong phần này, sinh viên sẽ khảo sát khâu quán tính bậc 2 cho trước Dùngphương pháp Ziegler-Nichols nhận dạng hệ thống sau đó xây dựng lại hàm truyền Sosánh giá trị các thông số trong hàm truyền vừa tìm được với khâu quán tính bậc 2 chotrước này

 Start time: thời điểm bắtđầu mô phỏng Mặc địnhchọn bằng 0

 Stop time: thời điểm kếtthúc mô phỏng Giá trịnày chọn theo đặc tínhcủa hệ thống Nếu hệthống có thời hằng lớn

thì giá trị Stop time

cũng phải lớn để quansát hết thời gian quá độcủa hệ thống

 Các thông số còn lạichọn mặc định như ởhình kế bên

Sinh viên tham khảo sách lý thuyết Điều khiển tự động để hiểu rõ phương phápZiegler-Nichols.

 Thí nghiệm:

Dùng SIMULINK xây dựng mô hình hệ thống lò nhiệt vòng hở như sau:

Step: là tín hiệu hàm nấc thể hiện phần trăm công suất cung cấp cho lò nhiệt Giá

trị của hàm nấc từ 0÷1 tương ứng công suất cung cấp 0%÷100%

Transfer Fcn – Transfer Fcn1: mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa.

a Chỉnh giá trị của hàm nấc bằng 1 để công suất cung cấp cho lò là 100% (Step

time = 0, Initial time = 0, Final time = 1) Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time

= 600s Mô phỏng và vẽ quá trình quá độ của hệ thống trên

b Trên hình vẽ ở câu trên, vẽ tiếp tuyến tại điểm uốn để tính thông số L và T theo

như hướng dẫn trong Bài thí nghiệm 5 Chỉ rõ các giá trị này trên hình vẽ So

sánh giá trị L, T vừa tìm được với giá trị của mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa

 Hướng dẫn:

Sau khi chạy xong mô phỏng, để xem quá trình quá độ của tín hiệu ta double click

vào khối Scope Cửa sổ Scope hiện ra như sau:

Vì cửa sổ Scope chỉ có thể xem đáp ứng hoặc in trực tiếp ra máy in nhưng

không lưu hình vẽ thành file *.bmp được nên ta phải chuyển Scope này sang cửa sổ Figure để lưu Thực hiện điều này bằng cách nhấp chuột vào ô Parameters Cửa sổ

Parameters hiện ra, nhấp chuột vào trang Data history và tiến hành cài đặt các thông

số như hình bên dưới:

Tiến hành chạy mô phỏng lại để tín hiệu lưu vào biến ScopeData Chú ý nếu saukhi khai báo mà không tiến hành chạy mô phỏng lại thì tín hiệu sẽ không lưu vào biếnScopeData mặc dù trên cửa sổ Scope vẫn có hình vẽ

Sau đó, vào cửa sổ Command Window nhập lệnh sau:

>> plot (ScopeData.time, ScopeData.signals.values) %ve dap ung

>> grid on %ke luoi

Lúc này cửa sổ Figure hiện ra với hình vẽ giống như hình vẽ ở cửa sổ Scope Vào menu Insert/ Line, Insert/ Text để tiến hành kẽ tiếp tuyến và chú thích cho hình

vẽ Kết quả cuối cùng như hình bên dưới:

Vào menu [File] → [Export] để lưu thnh file *.bmp như ở Bài thí nghiệm 1.

III.1.b Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON-OFF:

Trong đó:

 Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc u(t) = 100 (nhiệt độ đặt 100oC)

 Khối Relay là bộ điều khiển ON-OFF.

 Giá trị độ lợi ở khối Gain = 50 dùng để khuếch đại tín hiệu ngõ ra khối Relay

để quan sát cho rõ Lưu ý rằng giá trị này không làm thay đổi cấu trúc của hệthống mà chỉ hỗ trợ việc quan sát tín hiệu

a Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 600s để quan sát được 5 chu kỳ điều khiển Khảo sát quá trình quá độ của hệ thống với các giá trị của khâu Relay

theo bảng sau:

+1/-1 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%)

+5/-5 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%)

+10/-10 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%)

+20/-20 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%)

b Tính sai số ngõ ra so với tín hiệu đặt và thời gian đóng ngắt ứng với các trường

hợp của khâu Relay ở câu a theo bảng sau:

Nhận xét sự ảnh hưởng của vùng trễ đến sai số ngõ ra và chu kỳ đóng ngắt

của khâu Relay (khoảng thời gian ngõ ra khâu Relay thay đổi 1 chu kỳ).

c Lưu quá trình quá độ của trường hợp vùng trễ (+5 / -5) để viết báo cáo Trênhình vẽ chỉ rõ 2 sai số +Δe1 / -Δe2 quanh giá trị đặt và chu kỳ đóng ngắt

d Để sai số của ngõ ra xấp xỉ bằng 0 thì ta thay đổi giá trị vùng trễ bằng baonhiêu? Chu kỳ đóng ngắt lúc này thay đổi như thế nào? Trong thực tế, ta thựchiện bộ điều khiển ON-OFF như vậy có được không? Tại sao? Vùng trễ lựachọn bằng bao nhiêu là hợp lý Hãy giải thích sự lựa chọn này

 Hướng dẫn:

Khi điều khiển ON-OFF, ngõ ra của hệ thống có dạng dao động quanh giá trịđặt, sai số của nó được đánh giá qua biên độ của sai lệch nhiệt độ: Δe = Đặt – Phản

hồi khi hệ thống có dao động ổn định Báo cáo hai giá trị sai lệch dương +Δe1 (lớn hơn) và âm -Δe2 (nhỏ hơn) so với tín hiệu đặt.

Giá trị vùng trễ phải lựa chọn sao cho dung hòa sai số ngõ ra và chu kỳ đóngngắt Nếu vùng trễ nhỏ thì sai số ngõ ra nhỏ nhưng chu kỳ đóng ngắt sẽ tăng lên làmgiảm tuổi thọ bộ điều khiển ON-OFF

III.1.c Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ dùng phương pháp Ziegler-Nichols (điều khiển PID):

 Mục đích:

Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ dùng bộ điều khiển PID, các thông số của

bộ PID được tính theo phương pháp Ziegler-Nichols Từ đó so sánh chất lượng của hệthống ở 2 bộ điều khiển PID với bộ điều khiển ON-OFF

 Thí nghiệm:

Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ PID như sau:

Trong đó:

 Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc u(t) = 100 ( tượng trưng nhiệt độ đặt 100oC)

 Khâu bảo hòa Saturation có giới hạn là upper limit = 1, lower limit = 0

(tượng trưng ngõ ra bộ điều khiển có công suất cung cấp từ 0% đến 100%)

 Bộ điều khiển PID có các thông số cần tính toán

 Transfer Fcn – Transfer Fcn1: mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa.

a Tính giá trị các thông số KP, KI, KD của khâu PID theo phương pháp

Ziegler-Nichols từ thông số L và T tìm được ở phần III.1.a.

b Chạy mô phỏng và lưu đáp ứng của các tín hiệu ở Scope để viết báo cáo Có thể

chọn lại Stop time cho phù hợp Trong hình vẽ phải chú thích rõ tên các tín hiệu.

c Nhận xét về chất lượng ngõ ra ở 2 phương pháp điều khiển PID và ON-OFF

 Hướng dẫn:

Cách tính các thông số KP, KI, KD của khâu PID theo phương pháp Ziegler-Nicholsnhư sau:



2

p I

K K

L



K D  0.5K L p

Trong đó L, T, K là các giá trị đã tìm được ở phần III.1.a Chú ý, giá trị K đã cho

trước ở mô hình hàm truyền lò nhiệt K = 300

III.2 Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ, vị trí động cơ DC:

Trong phần này, sinh viên tìm hiểu cách xây dựng mô hình động cơ từ hàmtruyền mô tả động cơ DC Sau đó, khảo sát mô hình điều khiển tốc độ và vị trí động cơ

DC với bộ điều khiển PID

Sinh viên tham khảo Bài thí nghiệm 4 để biết rõ phương trình mô tả động cơ

DC Từ phương trình mô tả động cơ, ta có sơ đồ khối biểu diễn mô hình động cơ DCnhư sau:

Trong đó:

 Phần ứng: R = 1Ω, L = 0.03H => Tdt = 0.03s

 Ce: hằng số điện từ, Ce = 0.2 V.s / rad

 M: Momen động cơ, Mc : momen cản

 U: giá trị điện áp đặt vào động cơ

 J: momen quán tính của các phần chuyển động, J = 0.02 kgm/s2

 ω: tốc độ quay của động cơ (rad /s)

 θ: vị trí góc quay của động cơ (rad)

 n: tỉ số truyền, trong khảo sát: n = 10

 Với điều kiện không tải thì Mc = 0, thu gọn sơ đồ khối trở thành :

III.2.a Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ động cơ DC:

 Mục đích:

Trong phần này, sinh viên sẽ xây dựng mô hình điều khiển tốc độ động cơ DCdùng bộ điều khiển PID có tính đến sự bảo hòa của bộ điều khiển Khảo sát ảnh hưởngcủa bộ điều khiển PID đến chất lượng đáp ứng ngõ ra với tín hiệu đầu vào là hàm nấc

 Thí nghiệm:

Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển PID tốc độ động cơ DC như sau:

Trong đó:

 Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc u(t) = 100 (tượng trưng tốc độ đặt 100)

 Khâu bảo hòa Saturation có giới hạn là +30 / -30 (tượng trưng điện áp

cung cấp cho phần ứng động cơ từ –30V đến +30V)

 Transfer Fcn – Transfer Fcn1 thể hiện mô hình tốc độ động cơ DC.

a Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 10s Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ

điều khiển P (KI = 0, KD = 0) và tính độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lậpcủa ngõ ra theo bảng sau:

Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KP thay đổi Giải thích

b Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PI (KP = 2, KD = 0) và tính độvọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau:

Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KI thay đổi Giải thích Sosánh chất lượng của bộ điều khiển PI với bộ điều khiển P

c Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID (KP = 2, KI = 2) và tính độvọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau:

Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KD thay đổi Giải thích Sosánh chất lượng của bộ điều khiển PID với bộ điều khiển P, PI.

d Nhận xét ảnh hưởng của các khâu P, I, D lên chất lượng của hệ thống

III.2.b Khảo sát mô hình điều khiển vị trí động cơ DC:

 Mục đích:

Trong phần này, sinh viên sẽ xây dựng mô hình điều khiển vị trí động cơ DC dùng bộđiều khiển PID có tính đến sự bảo hòa của bộ điều khiển Khảo sát ảnh hưởng của bộđiều khiển PID đến đáp ứng ngõ ra với tín hiệu đầu vào là hàm dốc

 Khâu bảo hòa Saturation có giới hạn là +30 / -30

 Transfer Fcn – Transfer Fcn1 – Transfer Fcn2 thể hiện mô hình vị trí

động cơ DC

a Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 50s Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ

điều khiển P (KI = 0, KD = 0) và tính độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lậpcủa ngõ ratheo bảng sau:

Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KP thay đổi Giải thích

b Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PI (KP = 2, KD = 0) và tính độvọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau:

Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KI thay đổi Giải thích Sosánh chất lượng của bộ điều khiển PI với bộ điều khiển P.

c Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID (KP = 2, KI = 1) và tính độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau:

Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KD thay đổi Giải thích Sosánh chất lượng của bộ điều khiển PID với bộ điều khiển P, PI

d Nhận xét ảnh hưởng của các khâu P, I, D lên chất lượng của hệ thống

 Hướng dẫn:

Khối Repeating Sequence (ở thư viện Simulink\Sources) là khối phát tín hiệu lặp lại.

Tuỳ theo giá trị lập trình mà nó có thể phát ra tín hiệu xung vuông, tam giác hay răng

cưa với biên độ và tần số thay đổi được Double-click vào khối Repeating Sequence

để cài đặt xung tam giác biên độ bằng 10, tần số 0.1Hz như sau:

Bài thí nghiệm 3 ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ

BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

 Để thực hiện các yêu cầu trong bài thí nghiệm này, sinh viên cần phải chuẩn bị kỹ

và hiểu rõ trình tự các thao tác tiến hành thiết kế một bộ điều khiển trong Sisotool

 Sinh viên cần tham khảo phần phụ lục ở chương 6 (trang 225) trong sách Lý thuyếtđiều khiển tự động để làm quen và hiểu rõ trình tự các bước thiết kế một bộ điềukhiển trong Sisotool Chú ý, sinh viên phải đọc kỹ phần này để nắm rõ trình tự thiết

kế vì trong bài thí nghiệm này không nhắc lại các trình tự đó Nếu sinh viên khônghiểu kỹ thì sẽ không thực hiện được các yêu cầu trong bài thí nghiệm này

 Để kích hoạt công cụ sisotool, từ cửa sổ Command Window gõ lệnh sisotool Tiến hành thao tác từ cửa sổ SISO Design Tool xuất hiện như sau:

C C C

 Ta cần tính toán các thông số của bộ hiệu chỉnh GC(s) sao cho đáp ứng ngõ ra của

hệ thống đạt được các chất lượng về đáp ứng quá độ và sai số xác lập nhưng phải

thỏa mãn điều kiện biên độ và điều kiện pha ở (*).Chú ý, trong công cụ sisotool thì

Từ các yêu cầu về đáp ứng quá độ ta tìm được vị trí của cặp cực quyết định trênQĐNS Sau đó, ta tính các thông số của bộ hiệu chỉnh C(s) để sao cho QĐNS của hệthống sau khi hiệu chỉnh đi qua cặp cực quyết định này

 Thí nghiệm:

Cho hệ thống như hình vẽ :

a Dùng công cụ sisotool nhập vào hàm truyền hệ thống Dựa vào QĐNS của hệthống khảo sát hệ thống có ổn định không Giải thích Vẽ đáp ứng quá độ của hệthống với đầu vào hàm nấc để minh họa hệ thống có ổn định không Lưu hình vẽnày để so sánh với đáp ứng của hệ thống sau khi hiệu chỉnh

b Thiết kế bộ hiệu chỉnh sớm pha để hệ thống có độ vọt lố POT nhỏ hơn 20% và thờigian xác lập nhỏ hơn 8s Trình bày rõ quá trình thiết kế này

c Vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống sau khi hiệu chỉnh để chứng minh hệ thống đạtđược các yêu cầu của câu b Lưu hình vẽ này để viết báo cáo

 Hướng dẫn:

Nhập hàm truyền và khởi động sisotool để import G và H vào sisotool với chú ý:

G = tf(20,conv([1 1 0],[1 2]) và H = tf(1,1)

20( )

Cửa sổ Sisotool hiện ra như sau:

Quan sát QĐNS ta thấy phương đặc tính vòng kín có 3 nghiệm (dấu ■ màu đỏ):

s1=-3.84, s2=0.419+j2.24, s3=0.419 - j2.24Nhận thấy hệ thống có 2 nghiệm s2 va s3 nằm bên phải mặt phẳng phức nên hệ thốngkhông ổn định Ta cũng có thể quan sát trên biểu đồ Bode và nhận thấy GM = -10.5dB<0 va PM = -28.10<0 nên kêt luận hệ thống không ổn định Tuy nhiên, ở phầnthí nghiệm này ta dùng phương pháp QĐNS nên sẽ không dựa vào Biểu đồ Bode đểđánh giá mà chỉ dựa vào QĐNS

Để xem đáp ứng quá độ của hệ thống với đầu vào hàm nấc, vào menu[Analysis]→[Other loop Responses] Cửa sổ Response Plot Setup hiện ra Tiến hànhcài đặt các tín hiệu cần vẽ đáp ứng Ở đây ta chọn như hình bên dưới:

 r to y: vẽ đáp

ứng của ngõ ray(t) theo tín hiệuđầu vào r(t) Đâychính là đáp ứngquá độ cần vẽ

 r to u: vẽ đáp

ứng của tín hiệuđiều khiển u(t)

….

Sau khi chọn xong nhấn nút [OK] thì ta có được đáp ứng quá độ:

Vì cửa sổ

LTI Viewer

nàykhông hỗtrợ việclưu hình

vẽ nênphảichuyểnsang cửa

sổ Figure bằng cách vào menu [File]→[Print to Figure] Cửa sổ Figure hiện ra và sau đó tiến hành lưu hình vẽ như ở Bài thí nghiệm 1.

Bây giờ tiến hành thiết kế bộ hiệu chỉnh để hệ thống có POT < 20% và txl < 8s Ta

quay trở lại với cửa sổ Sisotool Vì trong phần này ta không sử dụng Biểu đồ Bode và

để mở rộng vùng QĐNS nên ta xóa vùng Biểu đồ Bode đi bằng cách vào menu [View]

bỏ dấu chọn mục [Open-Loop Bode]

Kích chuột phải vào vùng QĐNS, menu kiểu pop-up xuất hiện:

Edit Compensator… :

thay đổi các thông

số của bộ hiệu chỉnh

Design Constraints: giới hạn vùng thỏa mãn các tiêu chuẩn chất lượng

Chọn [Add Pole/Zero] → [Lead] để thêm khâu hiệu chỉnh sớm pha vào hệ thống.Nhấp chuột vào một vị trí bất kỳ trên trục thực của QĐNS để xác định vị trí của cực vàzero của bộ hiệu chỉnh, sisotool sẽ gán tự động vị trí của zero nằm gần gốc tọa độ hơncực