Cac mo hinh dieu khien truoc

Thiết kế và mô phỏng các mô hình điều khiển trược bằng matlab sử dụng các khối và các hàm: Gia tốc góc bằng 1 J nhân với tổng của hai số hạng (một pos, một neg..). Tương tự như vậy, các dẫn xuất của dòng bằng 1 L nhân với tổng của ba số hạng (một pos, hai neg..). • Chèn hai khối Gain (từ thư viện Linear block) gắn liền với các khối tích hợp. • Chỉnh sửa các khối đạt được tương ứng với gia tốc góc bằng cách nhấp đúp vào nó và thay đổi giá trị của nó 1 J. • Thay đổi nhãn của khối này thành inertia bằng cách nhấp vào Gain từ bên dưới khối. • Tương tự như vậy, chỉnh sửa giá trị Gain khác: 1 L và để nhãn Điện cảm. • Chèn hai khối Sum (từ thư viện Linear block) kèm theo một dòng của các khối Gain. • Chỉnh sửa các dấu hiệu của khối Sum tương ứng với vòng xoay + vì một số hạng là dương và là một là âm. • Chỉnh sửa các dấu hiệu của khối Sum khác + để đại diện cho những dấu hiệu của các luật trong phương trình Kirchoff...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT – TP HỒ CHÍ MINH

BÀI THI CUỐI KỲ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

GVHD: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG HVTH: LÊ TIẾN LỘC

LỚP: Cao học Kỹ thuật điện tử KHÓA: 2010 – 2012

Đề Tài:

Cho 1 động cơ DC với thông số cho như ở bảng sau:

3 Thiết kế PID mờ lai cho hệ thống và mô phỏng trên matlab

4 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu và bộ quan sát cho hệ thống, mô phỏng trên

matlab

PHẦN I: Tìm mô hình toán học ở dạng hàm truyền đạt và mô hình biến trạng thái của

T m

 

b

Ju



e K u dt

di L

Ri  

) 1 ( 2

2

dt

d J dt

d J b m

) 2 (

i K b

) ( ) ( ) (Js b s KI s

) 4 (

) ( )

( )

2

) )(

((Js b Ls R K s

K



) 6 (

Từ đó, ta xây dựng được PT trạng thái của hệ

1 0 0 1

x x

x1 2    

t d

d x

2 2

) 10 (

e

t K K K

Ku dt

d K Rb dt

d RJ Lb dt

3

) 11 (

u LJ

K x

x x

LJ

RJ Lb LJ

K Rb x

1 0

0

0 1

0

3 2 1 2

x x

x X

K Rb

A

2

0

1 0

0

0 1

0

) 13 (

) 14 (

Cx

Bu Ax X

Xây dựng mô hình động cơ có thông số như sau trên Matlab

Trong hệ SI, phần ứng không đổi (Kt) bằng với Ke

Hệ thống này sẽ được mô phỏng bằng cách tổng hợp các momen xoắn quán tính rotor

và tích hợp gia tốc để cung cấp cho vận tốc Ngoài ra, định luật Kirchoff sẽ được ápdụng cho các mạch phần ứng

• Mở Simulink và mở một cửa sổ mô hình mới Trước tiên, ta sẽ phân tích mô hình giatốc quay và tốc độ thay đổi của dòng điện phần ứng

• Lấy khối Integrator (từ thư viện Linear block)

• Gắn nhãn dòng đầu vào "d2/dt2 (theta)" và dòng đầu ra "d / dt (theta) như hình dướiđây Để thêm nhãn, nhấp đúp chuột trong không gian trống trên đường

• Chèn một khối tích hợp trên trước đó và vẽ các đường đến và đi từ thiết bị đầu cuốiđầu vào và đầu ra

• Gắn nhãn dòng đầu vào "d / dt (i)" và dòng đầu ra "i"

Tiếp theo, chúng ta sẽ bắt đầu mô hình cả hai định luật Newton và Kirchoff Các luậtnày áp dụng cho hệ thống động cơ cho các phương trình sau đây:

Gia tốc góc bằng 1 / J nhân với tổng của hai số hạng (một pos, một neg ) Tương tựnhư vậy, các dẫn xuất của dòng bằng 1 / L nhân với tổng của ba số hạng (một pos, haineg )

• Chèn hai khối Gain (từ thư viện Linear block) gắn liền với các khối tích hợp

• Chỉnh sửa các khối đạt được tương ứng với gia tốc góc bằng cách nhấp đúp vào nó vàthay đổi giá trị của nó "1 / J"

• Thay đổi nhãn của khối này thành "inertia " bằng cách nhấp vào "Gain" từ bên dướikhối

• Tương tự như vậy, chỉnh sửa giá trị Gain khác: "1 /L" và để nhãn Điện cảm

• Chèn hai khối Sum (từ thư viện Linear block) kèm theo một dòng của các khối Gain

• Chỉnh sửa các dấu hiệu của khối Sum tương ứng với vòng xoay "+-" vì một số hạng

là dương và là một là âm

• Chỉnh sửa các dấu hiệu của khối Sum khác "-+-" để đại diện cho những dấu hiệu củacác luật trong phương trình Kirchoff

Bây giờ, chúng ta sẽ thêm vào trong các mômen xoắn được thể hiện trong phươngtrình của Newton Trước tiên, chúng ta sẽ thêm vào trong mômen xoắn dampin

• Chèn một khối đạt được thấp hơn khối quán tính, chọn nó bằng một cách nhấp vào

nó, và chọn từ trình đơn Định dạng (hoặc gõ Ctrl-F) lật từ trái sang bên phải

• Thiết lập giá trị đạt được "b" và đổi tên khối này là "dampin"

• Nhấp vào một dòng (giữ Ctrl trong khi vẽ) ra khỏi đầu ra tích hợp quay và kết nối nóvới đầu vào của khối dampin

• Vẽ một đường thẳng từ đầu ra dampin cho đầu vào âm của khối Sum

Tiếp theo, chúng tôi sẽ thêm vào trong các mô-men xoắn từ phần ứng

• Chèn một khối được gắn liền với đầu vào tích cực của khối Sum quay với một đườngthẳng

• Chỉnh sửa giá trị của nó "K" để đại diện cho hằng số động cơ và nhãn nó "Kt"

• Tiếp tục vẽ đường dẫn từ nhà tích hợp hiện tại và kết nối nó với khối đạt được Kt

Bây giờ, chúng ta sẽ thêm vào các điều khoản điện áp được biểu diễn trong phươngtrình Kirchoff Trước tiên, chúng ta sẽ thêm vào sự sụt giảm điện áp trên các khángcuộn dây

• Chèn một khối được trên các khối điện cảm, và lật từ trái sang bên phải

• Thiết lập giá trị đạt được đến "R" và đổi tên khối này là " Resistance "

• Nhấp vào một dòng (giữ Ctrl trong khi vẽ) ra khỏi đầu ra tích hợp hiện tại của và kếtnối nó với đầu vào của khối Resistance

• Vẽ một đường thẳng từ đầu ra Resistance vào đầu âm của khối Sum phương trìnhdòng

Tiếp theo, chúng tôi sẽ thêm vào khối hồi tiếp emf từ động cơ

• Chèn một khối Gain gắn liền với đầu vào âm khác của khối Sum hiện tại

• Chỉnh sửa giá trị "K" để đại diện cho động cơ không đổi và nhãn nó "Ke"

• Nhấp vào một đường nối đầu ra và kết nối nó với khối Ke

Thuật ngữ điện áp thứ ba trong phương trình Kirchoff là kiểm soát đầu vào V Chúng

ta sẽ áp dụng một đầu vào là hàm bước

• Chèn một khối STEP (từ thư viện Sources) và kết nối nó với một dòng đầu vào tíchcực của khối Sum hiện tại

• Để xem tốc độ đầu ra, chèn Scope (từ thư viện Sink Blok) kết nối với đầu ra của khốirotational integrator

• Để cung cấp một đầu vào đơn vị bước thích hợp ở t = 0, khối Bước và thiết lập Thờigian Bước tới "0"

PHẦN II: Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển cho động cơ trên và mô phỏng trên

matlab

Hình 2: Mô hình điều khiển động cơ DC theo PID

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC theo PID

Hình 3: Khối STEP để nhập giá trị đặt cho động cơ

Hình 4: Sơ đồ bên trong khối động cơ DC

Hình 5: Khối Saturation để giới hạn điện áp vào động cơ

Hình 6: Thông số bộ điều khiển PID

Hình 7: Biểu đồ đáp ứng của động cơ DC theo PID

Kết Luận:

- Ta thấy bộ điều khiển đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp (có thể chỉnh thấp hơnnữa bằng cách giảm Kp), độ ổn định cao

PHẦN III: Thiết kế PID mờ lai cho hệ thống và mơ phỏng trên matlab

1 Hệ Mờ Lai Khơng Thích Nghi

Cấu trúc của một hệ lai trong hình dưới có bộ tiền xử lý mờ Nhiệm vụ đượcgiải quyết bằng bộ điều khiển PID kinh điển và các thông số của bộ điều khiểnkhông được chỉnh định thích nghi Hệ mờ được sử dụng để điều chế tín hiệu chủđạo cho phù hợp với hệ thống điều khiển Tín hiệu chủ đạo là một hàm thời gianbất kỳ và chỉ phụ thuộc vào những ứng dụng cụ thể Một cấu trúc cụ thể của hệ mờlại có bộ tiền xử lý mờ như vậy được biểu diễn như sau:

O

Hình 4: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ

Hình 12: Bộ điều khiển mờ lai cho động cơ DC có khâu tiền xử lý mờ

Tín hiệu chủ đạo x đưa vào hệ thống được điều khiển qua bộ mờ Tín hiệu vào x được so sánh với tín hiệu ra y của hệ thống và sai lệch E cùng đạo hàm DE của nó

được đưa vào đầu vào của bộ lọc mờ tạo ra một lượng hiệu chỉnh x, tín hiệu chủ

đạo đã được lọc có giá trị x + x Tác dụng của bộ lọc mờ trong toàn bộ hệ thốnglà làm cho hệ có đặc tính động tốt hơn và năng cao khả năng bền vững của hệ khicác thông số trong hệ biến đổi

Các bước thiết kế :

Bộ tiền xử lý

Bộ điều khiển

Đối tượng

1 Xác định biến ngôn ngữ:

 Đầu vào : 2 biến

+ Sai lệch: ET = Đo - Đặt hoặc ET = Đặt - Đo

+ Tốc độ tăng DET =

T

i E i

ET(  1 )  ( )

, với T là chu kỳ lấy mẫu

 Đầu ra : 1 biến

+ Delta

 Số lượng biến ngôn ngữ

ET = {chậm nhiều, chậm vừa, chậm ít, zero, nhanh ít, nhanh vừa, nhanh nhiều}

ET = { NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB }

Hình 8: Hàm thuộc biến đầu vào ET với 7 tập mờ

ET mim=-12 ET max=12

DET = { chậm nhiều, chậm vừa, chậm ít, zero, nhanh ít, nhanh vừa, nhanh nhiều}DET = { NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB }

Hình 9: Hàm thuộc biến đầu vào DET với 7 tập mờ

DET mim=-12 DET max=12

2 Luật hợp thành: Dùng Luật Max min

Có tổng cộng là 7x7=49 luật IF … THEN

Luật chỉnh định:

+ Giải mờ theo phương pháp trọng tâm.

Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hoành



 y dy y

trong đó S là miền xác định của tập mờ B’

K

ết quả ta thu được tập ngõ ra Delta như sau:

Delta = {rất nhỏ, nhỏ vừa, nhỏ ít, trung bình, lớn ít, lớn vừa, rất lớn } = {Z, S, M,L,U}

 = {mức 1,mức 2,mức 3,mức 4, mức 5,mức 6, mức 7} = { NB, NM, NS, ZO,

PS, PM, PB }

Hình 10: Hàm thuộc biến ngõ ra Delta với 7 tập mờ

Delta mim=-12 Delta max=12

Hình 10: Cửa sổ lựa chọn luật hợp thành và giải mờ

Hình 11: Cửa sổ thiết lập luật hợp thành theo luật chỉnh định

Kết quả dạng tín hiệu đáp ứng:

Tín hiệu đặtTín hiệu điều khiểnTín hiệu đáp ứng

Kết Luận:

- Ta thấy bộ điều khiển đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp, độ ổn định cao Tạithời điểm ban đầu khi điểm đặt và đáp ứng còn chênh lệch cao, tín hiệu điềukhiển được cộng thêm giá trị của bộ tiền xử lý mờ Khi độ vọt lố tăng lên, bộtiền xử lý mờ tạo ra giá trị âm để kéo đáp ứng bám vào điểm đặt Kết quả làgiá trị ngõ ra luôn bám sát giá trị đặt.

Tập mờ ET

Tập mờ DET

Tập ngõ ra Alpha

Tập ngõ ra Kp và Kd

Biểu diễn luật chỉnh định Kp trong không gian

Biểu diễn luật Kd trong không gian

Biểu diễn luật Alpha trong không gian

Chọn luật và giải mờ

+ Chọn luật hợp thành theo quy tắc Max-Min

+ Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

PHẦN IV: Thiết kế bộ điều khiển tối ưu và bộ quan sát cho hệ thống, mô phỏng trên

%Cac gia tri cua bien moi

Aa=[A zeros(2,2); -C zeros(1,2); 0 0 1 0];

+Bộ Điều Khiển Tối Ưu

Hình: Kết quả mô phỏng bộ ĐKTƯ

Hình: Kết quả mô phỏng bộ quan sát