Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển tự động bằng máy tính

Bó một nhóm các tín hiệu với một khối Bus Creator, thiết lập các tham số khối Số đầu vào số lượng tín hiệu trong nhóm.. - Tín hiệu tùy chọn đặt tên - Số lượng đầu vào - Trong bus tín hiệ

Đồ án 1: Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển tự động bằng máy tính

dạng mảng ma trận để tính toán và quan sát Các dữ liệu vào của MATLAB cóthể được nhập từ "Command line" hoặc từ "mfiles", trong đó tập lệnh được chotrước bởi MATLAB

MATLAB cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn.Người dùng cũng có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các

"mfiles" được viết cho các ứng dụng cụ thể Chúng ta có thể sử dụng các tậptin trợ giúp của MATLAB cho các chức năng và các lệnh liên quan với cáctoolbox có sẵn (dùng lệnh help)

Ví dụ: Command Window: >> hel plot

Hướng dẫn sử dụng Simulink:

 Click vào biểu tượng như hình dưới (Simulink icon)

Cửa sổ thư viện Simulink sẽ hiển thị:

 Control system toolbox:

Control System Toolbox là một thư viện của Matlab dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động Cùng với các lệnh của Matlab, tập lệnh của Control System Toolbox sẽ giúp ta thiết kế, phân tích và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của một hệ thống tuyến tính

 Tìm hiểu về Simulink và các khối ở mục Signal rounting trong simulink

1 Khối Bus Creator:

Mô tả:

Khối Bus Creator kết hợp một tập hợp các bus tín hiệu vào Bó một nhóm các tín hiệu với một khối Bus Creator, thiết lập các tham số khối Số đầu vào số lượng tín hiệu trong nhóm Khối hiển thị số lượng các cổng mà ta chỉ định Kết nối với các cổng đầu vào kết quả những tín hiệu mà ta muốn nhóm

 hỗn hợp tín hiệu

 Tạo và Truy cập bus tín hiệu

-Thông số và hộp thoại:

- Tín hiệu tùy chọn đặt tên

- Số lượng đầu vào

- Trong bus tín hiệu

- Kích hoạt biểu hiện thường xuyên

- Hiện kết quả được lọc như một danh sách phẳng

- Đổi tên tín hiệu được lựa chọn

- kiểu dữ liệu

- Hiển thị loại dữ liệu trợ

- chế độ

- Bus tín hiệu đầu ra nonvirtual

Ví dụ: Đối với một ví dụ về cách các khối công trình Bus Creator, thấy mô hình sldemo_househeat

2 Khối Bus Selector và selector:

Mô tả: Bus Selector để tái tạo lại các tín hiệu từ một Bus tín hiệu, đồng thời gomchúng lại thành các tín hiệu riêng rẽ ban đầu.Selector là khối cho phép tách từngphần tử riêng lẻ để rồi sau đó gom chúng lại thành một tín hiệu 1-D hay 2-D mới.-ví dụ : tách hai tín hiếu signal 1 và signal 3 từ Bus tín hiệu ở đầu ra của khối Mux

3 Khối demux :tách tín hiệu đầu vào thành nhiều tín hiệu ở đầu ra

Các loại khối đầu vào

Khối chuyển mạch đi qua các đầu vào thứ nhất hoặc đầu vào thứ ba dựa trêngiá trị của đầu vào thứ hai Các đầu vào đầu tiên và thứ ba được gọi là dữ liệuđầu vào Đầu vào thứ hai được gọi là kiểm soát đầu vào Xác định các điều

kiện theo đó khối đi đầu vào đầu tiên bằng cách sử dụng các tiêu chí để thôngqua các thông số đầu vào và Threshold đầu tiên.

- Khối Biểu tượng Appearance

Các biểu tượng khối giúp bạn xác định tiêu chí cho việc đi qua

đầu vào đầu tiên và Threshold mà không phải mở hộp thoại khối box

- Khối Behavior cho Boolean kiểm soát đầu vào

Khi kiểm soát đầu vào là một tín hiệu Boolean, sử dụng một trong những

kết hợp của các tiêu chuẩn và giá trị ngưỡng:

 u2> = Threshold, nơi mà các giá trị ngưỡng bằng

 1u2> Threshold, nơi mà các giá trị ngưỡng bằng

 0u2 ~ = 0Otherwise, khối Đổi bỏ qua các ngưỡng và sử dụng

Đầu vào Boolean cho tín hiệu định tuyến Đối với một kiểm soát đầu vào của 1, khối đi đầu vào đầu tiên, và cho một kiểm soát đầu vào của 0, khối đi

đầu vào thứ ba Trong trường hợp này, biểu tượng thay đổi khối sau

thời gian biên dịch và sử dụng T và F để nhãn đầu vào đầu tiên và thứ ba, tương ứng

Ví dụ: Sử dụng mô phỏng thời gian cho Control Port Mô hình sldemo_zeroxing sửdụng một khối Switch:

6 Khối Bus Assignment: Thay thế các yếu tố quy định bus tín hiệu

- Mô tả: Khối Bus Phân gán tín hiệu kết nối với cổng chuyển nhượng đầu vào của

nó (: =) Sự thay đổi này không ảnh hưởng đến tín hiệu đó, nó chỉ ảnh hưởng đếncác thành phần của bus tín hiệu tín hiệu không thay thế không bị ảnh hưởng bởi sựthay thế của các tín hiệu khác

7 Khối Data Store Memory:

-Mô tả:

Cửa hàng dữ liệu khối bộ nhớ định nghĩa và khởi tạo một lưu trữ dữ liệu có tênchia sẻ, đó là một khu vực bộ nhớ có thể sử dụng bằng cách lưu trữ dữ liệu đọc vàStore Data Viết khối ghi rõ tên cửa hàng cùng một dữ liệu

- Thông số và hộp thoại

Các cửa sổ chính của Store Data khối bộ nhớ hộp thoại xuất hiện như sau:

8 Khối Data Store Read:

-Mô tả :

Cửa hàng dữ liệu đọc khối dữ liệu từ bản sao lưu trữ dữ liệu được đặt tên cho sảnlượng của nó Hơn một lưu trữ dữ liệu đọc khối có thể đọc từ các cửa hàng cùngmột dữ liệu

9 Khối Data Store write:

Mô tả:

Các Store Data Viết khối bản sao giá trị tại đầu vào của nó để lưu trữ dữ liệu đượcđặt tên Lưu trữ dữ liệu mà khối này viết được xác định bởi vị trí của khối bộ nhớlưu trữ dữ liệu hoặc đối tượng tín hiệu xác định lưu trữ dữ liệu Kích thước của dữliệu cửa hàng được thiết lập bởi các đối tượng tín hiệu hoặc các khối bộ nhớ lưu trữ

dữ liệu mà định nghĩa và khởi tạo các lưu trữ dữ liệu

Thông số và hộp thoại :

Các cửa sổ thông số của các cửa hàng dữ liệu hộp thoại Write khối xuất hiệnnhư sau:

Ví dụ:

Đối với một kho dữ liệu có tên là DSM mà có kích thước tối đa của [3,5], bạn

có thể nhập các biểu hiện như DSM (2, 4) hoặc DSM ([1 3], 2) trong hộp soạn thảo.Sau đó bấm Select >> Để áp dụng các yếu tố lựa chọn, nhấn OK

10 Khối Environment Controller :

- Mô tả:

Khối này kết quả đầu ra tín hiệu tại cổng Sim của nó chỉ khi mô hình

có chứa nó đang được mô phỏng Nó ra tín hiệu tại Cổng coder chỉ khi mã được tạo

ra từ các mô hình tùy chọn này cho phép ta tạo ra các chi nhánh của một sơ đồkhối mà chỉ áp dụng để mô phỏng hoặc mã thế hệ Bảng dưới đây mô tả khác nhaukịch bản mà một trong hai Sim hoặc Cổng Coder được áp dụng

11 Khối From :

Mô tả:

Khối From chấp nhận đầu vào từ khối Goto.Chuyển đến từ một khối tương ứng,sau đó vượt qua nó như là đầu ra các dữ liệu loại đầu ra là giống như của đầu vào

từ khối Goto From và Goto khối cho phép vượt qua một tín hiệu từ một khối khác

mà không thực sự kết nối chúng Để liên kết một khối Goto với một khối From,nhập thẻ Goto của khối trong Goto Tag Khối From có thể nhận được tín hiệu của

nó chỉ từ một khối Goto, mặc dù một khối Goto có thể vượt qua tín hiệu của nó vớinhiều hơn một block Do đó từ con số cho thấy rằng sử dụng một khối Goto và mộtkhối From là tương đương với kết nối các khối để có những khối được kết nối

Khối chỉ ra khả năng hiển thị của khối tag Chuyển đến:

 Một tên tag địa phương được đặt trong ngoặc ([])

 Một tên thẻ scoped được đặt trong dấu ngoặc ({})

 Một tên thẻ toàn cầu xuất hiện mà không có ký tự bổ sung

 From khối hỗ trợ tuyên truyền nhãn hiệu

Ví dụ: Các mô hình sau đây cho thấy làm thế nào để sử dụng Từ khối:

 sldemo_auto_climatecontrol

 sldemo_hardstop

12 Khối Goto: Các đầu vào có thể là một tín hiệu đơn giản hay phức tạp có giá trị hoặc vector của bất kỳ loại dữ liệu From và Goto khối cho phép vượt qua một tín hiệu từ một khối khác mà không thực sự kết nối

13 Khối Goto Tag Visibility:

Mô tả:

 Các khối Goto Tag xác định khả năng tiếp cận của khối Goto đã scoped khả năng hiển thị Thẻ quy định như tham số thẻ Goto là truy cập bằng khối From trong hệ thống con cùng có chứa các khối Goto Tag trong hệ thống con bên dưới nó trong hệ thống phân cấp mô hình

 Một khối Goto Tag là cần thiết cho khối Goto Tag có giá trị tham số được scoped Khối hiển thị tên tag kèm theo trong dấu ngoặc ({}).

 Thông số và hộp thoại

14 Khối Index Vector: Chuyển đổi đầu ra giữa các đầu vào khác nhau dựa trên giátrị của đầu vào đầu tiên

- Mô tả:

Khối Index Vector là một thực hiện của Switch khối multiport

15 Khối Manual Switch: Chuyển đổi giữa hai đầu vào

-Mô tả: Khối Manual Switch là một nút chuyển đổi mà chọn một trong hai yếu tốđầu vào để đi qua đến đầu ra Để chuyển đổi giữa đầu vào, kích đúp vào khối Khốitruyền đầu vào được lựa chọn để đầu ra, trong khi khối loại bỏ các đầu vào khôngđược chọn

-Thông số và hộp thoại:

Double-click vào khối Manual Switch chuyển đổi đầu vào Để mở khối hộp thoại,nhấp chuột phải vào khối và chọn tùy chọn Block Parameters

 Cho phép hai yếu tố đầu vào khác nhau về kích thước

 Thời gian mẫu (-1 cho thừa kế)

Nhập khoảng thời gian rời rạc giữa thời gian mẫu chạm hoặc chỉ định

một thời gian mẫu thích hợp như liên tục hoặc được thừa kế

-Mô tả : Để hỗ trợ hành vi rõ ràng từ các khối Merge

Khối Merge kết hợp đầu vào của nó vào một dòng đầu ra duy nhất có giá trịbằng với số lượng đầu vào Ta có thể chỉ định bất kỳ số lượng đầu vào bằng cáchthiết lập của khối Số tham số đầu vào

 Không kết nối nhiều hơn một đầu vào của một khối Merge với cùng hệthống phụ có điều kiện, thực hiện

 Luôn luôn kết nối với một khối Merge để ít nhất hai tín hiệu đầu vào

 Đảm bảo rằng tất cả các tín hiệu đầu vào có thời gian mẫu

 Luôn luôn đặt các tham số đầu ra ban đầu của khối Merge, trừ khi cáccổng ra của khối Merge kết nối với một khối Merge

 Không tách một tín hiệu đầu vào đến một khối Merge, nếu ta sử dụngcác thiết lập mặc định của cổ điển cho các tham số cấu hình Model>Diagnostics> khởi Underspecified tham số phát hiện

 Đối với tất cả các khối hệ thống phụ Outport có điều kiện thực hiện, màlái xe Hợp nhất khối, đặt ra khi tham số tàn tật được tổ chức

Ví dụ sau đây là cũng sử dụng một khối Merge hợp lệ, nơi nonatomic trêncùng, nguồn nonvirtual là một hệ thống phụ điều kiện thi hành

17 Khối Multiport Switch:

Mô tả:

Khối Multiport Switch lựa chọn một số yếu tố đầu vào Các đầu vào đầu tiên làkiểm soát đầu vào Giá trị của kiểm soát đầu vào xác định dữ liệu đầu vào đi đếncổng ra.

Lưu ý: Khối này cũng giống như các khối Index Vector Nếu ta đặt Số cổng dữliệu để 1,ta sẽ có được khối Index Vector

 Cổng dữ liệu cho trường hợp mặc định

 Chẩn đoán cho trường hợp mặc định

 Thời gian mẫu (-1 cho thừa kế)

 Yêu cầu tất cả các đầu vào cổng dữ liệu để có cùng kiểu dữ liệu

 Khóa đầu ra loại thiết lập dữ liệu chống lại thay đổi bởi các công cụđiểm cố định

 Integer chế độ làm tròn

 Bão hòa trên tràn số nguyên

 Cho phép kích thước dữ liệu đầu vào khác nhau

 sản lượng tối thiểu

 tối đa sản lượng

 Kiểu dữ liệu đầu ra

Khối ghép nối chúng lại tín hiệu ở đầu vào của nó để tạo ra một tín hiệu đầu ra màcác thành phần có tại các địa điểm tiếp giáp trong bộ nhớ.

Hình a1 : Mạch lọc thông thấp thụ động RC

Mạch lọc này cho phép các dao động có tần số nhỏ hơn tần số cắt fc đi qua (f>fc ), những tín hiệu có tần số lớn hơn bị mạch hấp thụ năng lượng và đầu ra tín hiệu sẽ nhỏ hơn, khi tần số f càng lớn,tín hiệu sẽ càng bé và tiến dần tới 0

Hình a2 : Đường đặc tính lý tưởng thể hện tần số cắt của mạch lọc thông thấp

b) Mạch lọc thông cao

Mạch lọc thông cao cũng được thực hiện dựa trên cơ sở của mạch RC, RL, Op amp, mạch lọc thạch anh và gốm lọc Chức năng của mạch lọc tần số cao này làcho qua những tín hiệu có tần số thấp và giữ lại những tín hiệu có tần số cao

Hình b1: Mạch lọc thông cao RL

ứng dụng thì mạch lọc thông cao ngược lại với mạch lọc thông thấp, mạch này chỉ cho phép các dao động có tần số lớn hơn tần số cắt fc đi qua (f > fc) ,những tín hiệu có tần số nhỏ hơn đều bị mạch hấp thụ năng lượng và đầu ra tín hiệu sẽnhỏ hơn ,khi tần số f càng nhỏ, tín hiệu sẽ càng bé và tiến dần tới 0.

Hình b2: Đường đặc tính lý tưởng thể hiện tần số cắt của mạch lọc thông cao.

c) Mạch lọc thụ động: Mạch lọc chỉ gồm các linh kiện thụ động như điện trở

R, cuộn cảm L, tụ điện C Thông thường có 3 loại mạch lọc chính:

Mạch lọc thụ động thường được ứng dụng cho việc chọn lọc tần số cao(cỡ >

100 khz) do hạn chế các giá trị linh kiện mặc dù mạch đơn giản và dễ lắp ,songnhược điểm của những mạch lọc này là phẩm chất mạch thấp, làm suy giảm năng lượng qua nó mà không có khả năng khuếch đại ,khó phối hợp tổng trở khi lắp vào chức năng khác

d) Mạch lọc tích cực: Được xây dựng từ các phần tử R,C với các bộ khuếch

đại thuật toán, các mạch lọc làm việc tốt ở tần số thấp (<100 KHZ) và có rất nhiều ưu điểm so với mạch lọc thụ động mà ta đã xét ở trên như độ phẩm chất cao , hoạt động ổn định, và rất dễ thực hiện ,do đó giá thành cũng hạ Tuy nhiên khi tần số tăng lên thì bộ khuếch đại gây ra nhiều phiền toái làm giảm hệ

số khuếch đại và gây lệch pha giữa tín hiệu vào và ra.làm thay đổi đặc trưng của mạch lọc Ngoài ra biên độ của tín hiệu vào lớn thì khuếch đại thuật toán gây ra hiện tượng bão hòa, trong khi biên độ quá nhỏ thì gây ồn

g) Mạch lọc thông dải : Mạch chọn lọc tần số trong khoảng (dải thông ) để tín

hiệu trong dải tần số đó đi qua, với những tín hiệu ngoài khoảng dải thông đó , tín hiệu đi ra sẽ bị giảm biên độ và tiến dần về không khi tần số tín hiệu càng đi

xa dải thông

Có hai loại mạch thông dải chủ yếu :

- Mạch lọc băng thông rộng ( wide bandwidth filter)

- Mạch lọc băng thông hẹp (narrow bandwidth filter)

Nó có ứng dụng trong việc chống nhiễu khi thu các tín hiệu có nhiều tạpnhiễu hay trong dò tinh chỉnh tín hiệu

h) Mạch lọc chẵn dải : Mạch không cho tín hiệu ra tại các khoảng tần số của

nó(dải chẵn ), còn lại các tần số khác đều cho đi qua Tương tự , mạch lọc chẵn dải cũng có hai loại chẵn dải phổ biến gồm mạch lọc băng chẵn rộng và mạch lọc băng chẵn hẹp

II Mô hình hóa mạch lọc thông thấp

1 Cấu tạo và ứng dụng của bộ lọc dải thông (Band-pass )

Hình 1a : Bộ lọc dải thông( Band-pass)

a) Cấu tạo : là một mạch RLC ( một điện trở - điện – tụ điện mạch ) Các bộ

lọc này cũng có thể được tạo ra bằng cách kết hợp một bộ lọc thông thấp với bộ lọc cao – pass Có hai loại bộ lọc dải thông chủ yếu :

- Bộ lọc dải thông băng hẹp

- Bộ lọc dải thông băng rộng

b) Ứng dụng : Bộ lọc dải thông ( band – pass) được sử dụng rộng rãi trong

các máy phát không dây và nhận Các chức năng chính của bộ lọc trong một máy phát là để hạn chế băng thông của tín hiệu đầu ra cho dải thông được phân bổ cho việc truyền tải điều này ngăn cản các máy phát từ can thiệp với các trạm khác Trong bộ tiếp nhận , một bộ lọc dải thông cho phép các tín hiệu trong một phạm vi lựa chọn tần số để có thể nghe hay giải mã, trong khi ngăn chặn các tín hiệu ở tần số không mong muốn đi qua Một bộ lọc dải thông cũng tối ưu hoá tỉ lệ và độ nhạy cảm của một máy thu tín hiệu

Đây là mạch dao động R nối tiếp LC mắc song song

Tại thời điểm t = 0

Với điều kiện ban đầu uc(0) = 0, iL(0) = 0 , ta lập được phương trình cho mạchdưới dạng toán tử Laplace như sau :

Vậy hàm truyền của bộ lọc là :

G(s) =Vv à o (s ) Vra(s) = Zvao Zra =

Ls 1sC Ls+ 1sC

R +

Ls 1sC

Ls + 1sC

=

Ls∗1 Cs

R(Ls+ 1

Cs)+ L C

A Khảo sát tính ổn định của hệ kín bằng tiêu chuẩn Hurwitz :

 Đánh giá tính ổn định của hệ kín : Điều kiện cần và đủ để hệ kín

ổn định với a0 > 0 là các định thức Hurwitz đều dương

>>title(‘diem cuc – diem khong’)

Hình a: Điều khiển với bộ điều khiển PID.

Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng :

Tín hiệu (u) được đưa vào đối tượng điều khiển P và ta thu được tín hiệu đầu

ra mới.Tín hiệu đầu ra mới này sẽ được gửi lại nhờ cảm biến để tính toán ra tín hiệu sai lệch mới Bộ điều khiển sẽ lại lấy tín hiệu điều sai lệch mới này để tínhtoán toán lại đạo hàm và tích phân của chúng Quá trình cứ như thế tiếp tục

II Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp module

II.1 Phương pháp tối ưu module

Có nhiều phương pháp để thiết kế bộ điều khiển PID, như:

- Phương pháp Ziegler-Nichols

- Phương pháp tối ưu modul

- Phương pháp tối ưu ñối xứng

- Phương pháp Chien-Hrones –Reswick

Sau đây e xin chọn phương pháp tối ưu module

Phương pháp tối ưu modul là phương pháp lựa chọn tham số bộ ñiều khiển PID

cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hình chữ S Xét một hệ thống điều khiển kín Bộ điều khiển R(s) điều

khiển cho đối tượng S(s)

Hình b: Hệ thống điều khiển kín có đối tượng S(s) và bộ điều khiển phải tìm R(s).

Phương pháp tối ưu modul được áp dụng để chọn tham số bộ điều khiển PID

điều khiển các đối tượng S(s) có bản chất quán tính

Đối với đối tượng là khâu quán tính bậc 2:

- Mô hình đối tượng :