Báo cáo Thí nghiệm cơ sở tự động bài 2

báo cáo thí nghiệm cơ sở tự động bài 2 1. Mô phỏng mô hình điều khiển động cơ DC: 2. Thực hiện thí nghiệm khảo sát chất lượng hệ thống dùng các khối hàm liên tục: 3. Thực hiện thí nghiệm khảo sát chất lượng hệ thống dùng mạch khuếch đại opamp: Nhận xét:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Bộ Môn Điều Khiển Tự Động

-* -`

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Bài Thí Nghiệm Số: 2

1 Mô phỏng mô hình điều khiển động cơ DC:

Trong bài thí nghiệm này ta sẽ khảo sát chất lượng hệ thống điều khiển vòng kín được mô tả tổng quát như Hình 1 Mô hình này cho phép thay đổi số lượng các khâu tích phân trong hàm truyền vòng hở làm thay đổi sai số xác lập và thay đổi các hệ số để tạo ra nhiều dạng đáp ứng ngõ ra khác nhau

Trong đó :

- SW_R cho phép chọn đầu vào là hàm nấc (step) hoặc hàm dốc (ramp)

- SW_Y cho phép chọn đầu ra điều khiển tốc độ hay vị trí động cơ DC

Hình 1 Mô hình điều khiển vòng kín động cơ DC dùng để khảo sát

chất lượng

Giả sử hàm truyền bậc 2 của động cơ có dạng như sau:

Bộ điều khiển dùng khâu tỉ lệ và khâu tích phân có dạng như sau:

Dựa vào lý thuyết đã học, ta sẽ thực hiện mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển vòng kín động cơ DC dùng bộ điều khiển hai khâu tỉ lệ-tích phân trong MAT AB

Simulink như hình sau:

C(s) G(s)

R(s)

Y(s)

E(s) U(s) +

-1/s

Speed

Position Step

Ramp

PI DC Motor

Integrator

SW _Y

SW _R

Với K = 100, a = 0.05, b = 1.5 Ta xây dựng mô hình Simulink, chạy mô phỏng các kết quả và tính toán các tiêu chuẩn chất lượng ứng với các trường hợp ở bảng 1 và Bảng 2

Ta thu được bảng số liệu như sau:

Bảng 1: Đầu vào hàm nấc (Step):

Điều khiển vận tốc Điều khiển vị trí Dùng khâu P

Kp=0.2, Ki=0

Dùng khâu PI Kp=0.2,Ki=1

Dùng khâu P Kp=0.005, Ki=0

Dùng khâu PI Kp=0.005, Ki=0.0005 Thời gian xác

Thời gian

Độ vọt lố

Sai số xác

Bảng 2: Đầu vào hàm dốc (Ramp):

Điều khiển vận tốc Điều khiển vị trí Dùng khâu P

Kp=0.5, Ki=0

Dùng khâu PI Kp=0.5,Ki=0.5

Dùng khâu P Kp=0.5, Ki=0

Dùng khâu P I Kp=0.5 , Ki=0.5 Sai số xác lập

(v/p)

Nhận xét:

 Sai số xác lập trong trong các trường hợp dùng hàm nấc và hàm dốc gần như tương đương nhau

 Tuy nhiên dạng đồ thị đáp ứng ngõ ra khác nhau rất lớn

Ví dụ:

Đầu vào hàm nấc dùng khâu P điều khiển vận tốc.

Đầu vào hàm dốc dùng khâu P điều khiển vận tốc

2 Thực hiện thí nghiệm khảo sát chất lượng hệ thống dùng các khối hàm liên tục:

Các bước thí nghiệm

- Mở file Simulink motor_cont_ctrl0.mdl

-Trên file Simulink, ứng với mỗi thí nghiệm trong bảng chú ý thực hiện chính xác lần

lượt các bước sau: chọn dạng ngõ vào Step hay Ramp dùng SW_R thiết lập giá trị ngõ vào Chọn chế độ điều khiển vận tốc hay vị trí dùng SW_Y thiết lập các hệ số {Kp, Ki}

- Biên dịch chương trình và chạy

- Mở Scope xem đáp ứng và tính các tiêu chuẩn chất lượng hệ thống

- Ghi lại các kết quả vào Bảng 3

- Lưu hình ảnh đặc tuyến để so sánh các trường hợp

- Lặp lại bước b) tới bước f) cho các giá trị ở Bảng 3 và Bảng 4

Đầu vào hàm nấc (Step):

 Điều khiển vận tốc SP=800v/p:

- Dùng khâu P: Kp=0.2, Ki=0

Thời gian xác lập ts=0.539s Thời gian lên tr=0.503-0.071=0.432s

Độ vọt lố (%)=(0.975-0.960)/0.960 = 1.56%

Sai số xác lập (v/p) ess=1-0.960=0.04

- Dùng khâu PI :Kp=0.2, Ki=0.5

Thời gian xác lập ts=1.869s Thời gian lên tr=0.525-0.073=0.452s

Độ vọt lố (%)=(1.421-1)/1 = 42.1%

Sai số xác lập (v/p) ess=0

 Điều khiển vị trí SP=1000o

- Dùng khâu P: Kp=0.02, Ki=0

Thời gian xác lập ts=2.565s Thời gian lên tr=0.410-0.124=0.286s

Độ vọt lố (%)=(1.594-1.008)/1.008 = 57.83%

Sai số xác lập (v/p) ess=1.008-1=0.008

- Dùng khâu PI :Kp=0.02, Ki=0.005

Thời gian xác lập ts=3.855s Thời gian lên tr=0.400-0.123=0.277s

Độ vọt lố (%)=(1.683-1.005)/1.005 = 67.46%

Sai số xác lập (v/p) ess=1.005-1=0.005

Bảng 3: Đầu vào hàm nấc (Step):

Điều khiển vận tốc Điều khiển vị trí Dùng khâu P

Kp=0.2, Ki=0

Dùng khâu PI Kp=0.2, Ki=0.5

Dùng khâu P Kp=0.005, Ki=0

Dùng khâu PI Kp=0.005, Ki=0.0005 Thời gian xác

Thời gian

Độ vọt lố

Sai số xác

Đầu vào hàm dốc (Ramp):

 Điều khiển vận tốc SP=800v/p trong 10s:

- Dùng khâu P: Kp=0.2, Ki=0

Sai số xác lập (v/p): ess=0.9029 - 0.8607 = 0.0422

- Dùng khâu PI :Kp=0.2, Ki=0.5

Sai số xác lập (v/p): ess= 0

 Điều khiển vị trí SP=1000o trong 20s

- Dùng khâu P: Kp=0.03, Ki=0

Sai số xác lập (v/p): ess=0.7991 - 0.7807 = 0.0184

- Dùng khâu P: Kp=0.03, Ki=0.01

Sai số xác lập (v/p): e ss=0

Bảng 4: Đầu vào hàm dốc (Ramp):

Điều khiển vận tốc Điều khiển vị trí Dùng khâu P

Kp=0.5, Ki=0

Dùng khâu PI Kp=0.5,Ki=0.5

Dùng khâu P Kp=0.5, Ki=0

Dùng khâu PI Kp=0.5 , Ki=0.5 Sai số xác lập

(v/p)

Nhận xét:

- Sai số xác lập khi dùng hàm nấc và hàm dốc đều khá nhỏ

- Dạng đồ thị đáp ứng ngõ ra rất khác nhau

- So với phần mô phỏng ở bảng 1 và bảng 2 có sự khác biệt nhỏ, không đáng kể

3 Thực hiện thí nghiệm khảo sát chất lượng hệ thống dùng mạch khuếch đại op-amp:

Các bước thí nghiệm

- Mở file Simulink motor_cont_ctrl1.mdl

- Trên hộp điều khiển PID dùng op-amp: tắt công tắc POWER, SW2, SW1 sang OFF và gỡ tất cả R, C nếu có trên mạch

- Trên Matlab Simulink, ứng với mỗi thí nghiệm trong bảng chú ý thực hiện chính xác lần lượt các bước sau: chọn dạng tín hiệu ngõ vào Step hay Ramp dùng SW_R cài

đặt giá trị ngõ vào chọn chế độ điều khiển vận tốc hay vị trí dùng SW_Y

- Trên hộp điều khiển PID dùng op-amp: gắn các linh kiện {Rp, Ri, Ci} vào theo các

giá trị trong bảng Chú ý gắn đúng cực của các tụ

- Biên dịch chương trình

- Bật công tắc POWER, SW1 sang ON Bật SW2 sang ON nếu có sử dụng khâu I

-Chạy chương trình

- Mở Scope để xem đáp ứng và tính các tiêu chuẩn chất lượng hệ thống

- Ghi lại các kết quả vào Bảng 5 và Bảng 6

- Lặp lại bước b) tới bước h) cho các giá trị ở Bảng 5 và Bảng 6

Đầu vào hàm nấc (Step):

 Điều khiển vận tốc SP=800v/p:

- Dùng khâu P: Rp=5k

Thời gian xác lập ts=0.542s Thời gian lên tr=0.497-0.075=0.422s

Độ vọt lố (%)=0%

Sai số xác lập (v/p) ess=1-(0.9852+0.9124)/2=0.0512

- Dùng khâu PI: Rp=5k, Ri=2k, Ci=10u

Thời gian xác lập ts=1.727s Thời gian lên tr=0.559-0.083=0.476s Yxl=(1.047+1.011)/2 = 1.029

Độ vọt lố (%)=(1.190 – 1.029) / 1.029= 15.64%

Sai số xác lập (v/p) ess=1.029-1=0.029

 Điều khiển vị trí SP=1000o: Dùng khâu P: Rp=30k

Thời gian xác lập ts=3.398s Thời gian lên tr=0.564-0.182=0.382s Yxl=1.048

Độ vọt lố (%)=(1.622 – 1.048) / 1.048= 54.77%

Sai số xác lập (v/p) ess=1.048-1=0.048

o Dùng khâu PI: Rp=30k, Ri=30k, Ci=10u

Thời gian xác lập ts=6.430s Thời gian lên tr=0.519-0.177=0.342s Yxl=1.028

Độ vọt lố (%)=(1.966 – 1.028) / 1.028= 91.24%

Sai số xác lập (v/p) ess=1.028-1=0.028

Bảng 5: Đầu vào hàm nấc (Step):

Điều khiển vận tốc Điều khiển vị trí Dùng khâu P

Rp=5k

Dùng khâu PI Rp=5k, Ri=2k, Ci=10u

Dùng khâu P Rp=30k

Dùng khâu PI Rp=30k, Ri=30k, Ci=10u Thời gian xác

Thời gian

Độ vọt lố

Sai số xác

 Điều khiển vận tốc SP=800v/p trong 10s:

- Dùng khâu P: Rp=5k

Sai số xác lập (v/p) ess=0.4508-0.4139=0.0369

- Dùng khâu PI: Rp=5k, Ri=2k, Ci=10u

Sai số xác lập (v/p) ess=0.4682-0.450=0.0182

 Điều khiển vị trí SP=1000o trong 20s:

- Dùng khâu P: Rp=10k

- Sai số xác lập (v/p) ess=0.8844-0.8731=0.0113

- Dùng khâu PI: Rp=10k, Ri=30k, Ci=47u

Sai số xác lập (v/p) ess=0.9494-0.9013=0.0481

Bảng 6: Đầu vào hàm dốc (Ramp):

Điều khiển vận tốc Điều khiển vị trí Dùng khâu P

Rp=5k

Dùng khâu PI Rp=5k, Ri=2k, Ci=10u

Dùng khâu P Rp=10k

Dùng khâu PI Rp=10k, Ri=30k, Ci=47u Sai số xác lập

Nhận xét:

- Sai số xác lập trong các trường hợp là khá nhỏ, tùy vào các khâu dùng cho hệ thống

và cách điều khiển mà có sự khác nhau

- Dạng đồ thị ngõ ra rất khác nhau tùy theo từng hệ thống

- So với phần mô phỏng ở bảng 1 và bảng 2, số liệu thu thập được có sự tương đương khá lớn, sai số khá bé, nhưng dạng đồ thị thu nhận được khác nhau rất lớn Khi hệ thống đã xác lập, kết quả thí nghiệm cho ra có nhiễu làm ảnh hưởng tới kết quả đo (phải lấy trung bình để đưa ra Yxl) trong khi chạy mô phỏng thì dạng sóng ngõ ra khá đẹp mắt, dễ dàng nhận thấy các số liệu để thu thập