Bài giảng Thí nghiệm điều khiển tự động

HT với đầu vào hàm 
nấc khi có và không có vòng phản hồi tốc độ. Từ đó nêu tác dụng của vòng phản hồi tốc độ. 
Chú ý: Do tầm phản hồi vị trí bị hạn chế ở xấp xỉ 2V(xem lý thuyết phần 5.2), vọt lố lớn có 
thể làm sai tín hiệu phản hồi dẫn đến hệ thống không hoạt động đƣợc ở giá trị đặt lớn, phân 
biệt với sự mất ổn định của hệ thống. 
5.3.Nhận xét đánh giá 
Trích dẫn: bài thí nghiệm Hệ thống điều khiển tốc độ và vị trí động cơ một chiều, của Bộ m 
ôn Điều khiển tự động, Khoa Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Tp. HCM. 
Bài 6: Hệ thống điều khiển số động cơ một chiều 
109 
Bài 6 
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 
6.1.Mục tiêu 
-Làm quen với hệ thống sử dụng máy tính số(PC) để điều khiển vòng kín một đối tƣợng cụ 
thể trong bài là động cơ một chiều. 
-Khảo sát ảnh hƣởng của các thành phần điều khiển PID trên đặc tính tĩnh và động của hệ 
thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng cách quan sát ảnh hƣởng của từng thông số 
trên quá trình quá độ của hệ thống với đầu vào hàm nấc. 
6.2. Nội dung 
Bộ thí nghiệm bao gồm : 
-Bộ điều khiển bao gồm mạch giao tiếp , máy tính và mạch động lực. 
-Động cơ một chiều có bộ phát tốc xung. 
-Bộ cấp điện một chiều +/- 24V. 
-Chƣơng trình điều khiển. 
 Đặt 
 Đ.CƠ 
 Máy tính Giao tiếp 
 Phản hồi 
 SỐ LIÊN TỤC 
Hình 6.1 :Sơ đồ khối bài thí nghiệm 
6.2.1. Bộ điều khiển : 
Bộ điều khiển động cơ chứa trong hộp riêng, có sơ đồ khối nhƣ hình 6.2, bao gồm : 
-Card giao tiếp tƣơng tự và số gồm có : 
. Bộ chuyển đổi tƣơng tự-số ADC0809 8bit cho phép máy tính thu thập và tính toán số liệu 
điều khiển động cơ. Trong thí nghiệm này, tốc độ, dòng điện, và điện áp động cơ đƣợc đọc 
về máy tính số. Máy tính cũng ghi lại và trình bày đồ thị quá trình quá độ để ta phân tích đặc 
tính hệ thống. 
Chuyển đổi số-tƣơng tự (DAC) 8 bit AD7520 nối port A của PIA 8255, biến đổi tín hiệu điều 
khiển từ số ra điện áp, giữ nguyên trong chu kì lấy mẫu làm thành bộ giữ bậc 0 (ZOH). 
-Máy tính AT có card giao tiếp PROTOTYPE ADAPTER(TK-1), địa chỉ $300-$31F(có thể 
dùng card PCI 1711/PCI 1718HDU). 
-Bộ khuếch đại công suất có mạch bảo vệ dòng điện, sử dụng nguồn ±24V khuếch đại tín 
hiệu điều khiển (từ ngõ ra DAC) để cung cấp cho động cơ DC. 
Điều khiển 
D/A 
Động 
lực 
A/D 
Bài 6: Hệ thống điều khiển số động cơ một chiều 
110 
Hình 6.2 : Sơ đồ khối bộ điều khiển động cơ. 
6.2.2. Động cơ một chiều. 
6.2.3. Chƣơng trình điều khiển. 
6.3. Thí nghiệm : sinh viên đọc tham khảo [2] 
6.3.1. Thí nghiệm khảo sát hệ hở : 
6.3.2. Thí nghiệm hệ vòng kín 1(Không có phản hồi dòng điện) 
6.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ : 
 Wđ e I đ ặt U đk I w 
 - - 
 I đco Tín hi ệu phản hồi 
 w đco 
 Digital Analog 
Hình 6.3 Sơ đồ khối HT điều khiển động cơ 
6.5. Nhận xét đánh giá : 
Trích dẫn : bài thí nghiệm Điều khiển số động cơ DC, của Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa 
Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Tp. HCM. 
DKw ĐK ZOH B ĐK Đ.C ơ ramp 
Bài 7: Hệ thống điều khiển mực nước 
111 
Bài 7 
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỰC NƢỚC 
7.1.Mục tiêu 
Sinh viên xây dựng mô hình toán học bồn đơn và dùng Simulink mô phỏng hệ bồn 
đơn;và khảo sát hệ thống điều khiển mục nƣớc cụ thể. 
7.2.Nội dung 
Dùng máy tính có sử dụng card giao tiếp PCL818L/PC I 1711 để điều khi ển bồn 
nƣớc. Card dùng đọc giá trị từ cảm biến và xuất ra điện áp điều khiển bơm nƣớc vào bồn. 
Có sử dụng XPC-target trong Matlab và có viết chƣơng trình kết nối bằng Visual C hay 
Borland C++ Builder. 
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bồn nƣớc: 
xPC-Target: 
xPC Target là giải pháp của Matlab nhằm đƣa các kết quả mô hình hệ thống dùng 
Simulink vào hệ thống chạy thời gian thực. xPC target cần có một máy tính chủ và máy 
tính đích ghép nối với nhau qua cổng RS-232 hay mạng Ethernet, chƣơng trình điều 
khiển dạng mã thực thi, tạo ra bởi Real Time Workshops và Visual C++, xPC target đƣợc 
chuyển từ máy chủ đến máy đích, máy tính đích có các card giao tiếp với đối tƣợng sẽ 
điều khiển đối tƣợng theo thời gian thực, các đáp ứng đƣợc gửi lên máy chủ và các tinh 
chỉnh gửi xuống máy đích. Máy tính chủ cài hệ điều hành Windows 95, 98, 2000, Xp hay 
NT4. Máy tính đích không cần cấu hình mạnh (CPU 386, RAM 8MB), không cần hệ điều 
hành nhƣng BIOS phải tƣơng thích máy PC, mainboard có sẵn các slot gắn card giao tiếp 
và có cổng COM(dùng chipset tƣơng thích UART) hay card mạng, chỉ cần ổ đĩa mềm còn 
ổ cứng và màn hình không cần thiết. Sự giao tiếp giữa hai máy tính thực hiện qua cổng 
cổng COM hay mạng Ethernet. 
xPC Target hỗ trợ giao tiếp qua cổng COM và một số card giao tiếp của các hãng 
Advantech, ADDI-DATA, National Instruments, Real time devices,... Sinh viên đọc thêm 
trong tài liệu[4]. 
7.3.Thí nghiệm 
7.3.1.Mô phỏng bồn chứa I 
u(t) : tín hiệu vào , h(t): tín hiệu ra là chiều cao cột nƣớc, tối đa 40cm. 
dh(t)/dt= (1/A).(K.u(t) –C.a. )(2 tgh ) (1) 
Cho: 
A: tiết diện ngang của bồn chứa=100cm2. 
 a: tiết diện van=0,5 cm2. 
C: hệ số xả=0,6. 
 g: gia tốc trọng trƣờng=981 cm/s2 
u(t): [0->1]; tối đa 12V, ngẫu nhiên. 
K: hệ số đặc trƣng cho công suất lớn=18 lit/phút=300 cm3/s. 
Xây dựng mô hình mô phỏng : 
 u(t) y(y) 
Mô 
hình 
Bài 7: Hệ thống điều khiển mực nước 
112 
Sơ đồ mô phỏng lƣu ở tập tin bondon.mdl 
Mô phỏng hệ thống với u(t) ngẫu nhiên 
Hình 7.1: Sơ đồ mô phỏng bồn đơn. 
Hình 7.2 : Bên trong subsystem “Bondon” 
Gain là K=300, Gain1 là 1/A=1/100, Khối Fcn là 
C*a*sqrt(2*981*u[1])=0.6*0.5*sqrt(2*981*u[1]). Khối tich phân có giới hạn cao nhất là 
40. 
Bài 7: Hệ thống điều khiển mực nước 
113 
Kết quả mô phỏng 
Ngõ vào u(t) 
Ngõ ra h(t) 
7.3.2.Sơ đồ mô phỏng II: 
H ình 7.3. 
Thông số bồn nƣớc : 
Bài 7: Hệ thống điều khiển mực nước 
114 
Hình 7.4 
Kết quả mô phỏng: 
U(t): 
H(t): 
7.4.Nhận xét đánh giá. 
7.5.Khảo sát mô hình điều khiển bồn nƣớc của hãng Festo. 
Phụ lục 
115 
PHỤ LỤC 
Bảng biến đổi Laplace 
STT Ảnh laplace F(s) Hàm thời gian f(t) 
1 1 Hàm Dirac (t) 
2 
s
1
Hàm nấc đơn ị us(t)=1(t) 
3 
2
1
s
Hàm dốc (h àm RAMP)= t.1(t) 
4 
1
!
ns
n
t
n
(n= số nguyên dương) 
5 
s
1
e
-t
6 
2)(
1
s
t.e
-t
7 
1)(
!
 ns
n

t
n
.e
-t
,( n= số nguyên dương) 
8 
))((
1
  ss
 )(
)(
1 tt ee 

 

() 
9 
)(
1
ss
 )1(
1 te 

 
10 
2)(
1
ss
 )1(
1
2
tt tee  

  
11 
)(
1
2 ss
 )1(
1
2
tet 

 
12 
22 )(
1
ss
 ])
2
(
1
[
1
2
tett 

 
Phụ lục 
116 
13 
2)( s
s
(1-t)e-t 
14 
22
2
n
n
s 


sinnt 
15 
22
ns
s

cosnt 
16 
)( 22
2
n
n
ss 


1- cosnt 
17 
22
2 )(
n
n
s
s




 )sin(
22   tnn với )/(tan
1  n
 
18 
))(( 22 n
n
ss 


 )sin(
1
2222


  



 te n
n
t
n
n , với 
)/(tan 1  n
 
19 
22
2
2 nn
n
ss 


 te n
tn n .1sin
1
2
2


  


 (<1) 
20 
)2( 22
2
nn
n
sss 


 ).1sin(
1
1 2
2


  

  te n
tn n , với  1cos 
(<1) 
21 
22
2
2 nn
n
ss
s



 ).1sin(
1
2
2
2


  

 
te n
tn n với  1cos 
(<1) 
22 
22
2
2
)(
nn
n
ss
s




 ).1sin(.
1
2 2
2
22



  

 
te n
tnn
n
n với 




n
n


 
2
1 1tan (<1) 
23 
)2( 222
2
nn
n
sss 


 ).1sin(.
1
12 2
22


  

  tet n
t
nn
n , với 
)12(cos 21    (<1) 
Phụ lục 
117 
Các hàm MATLAB dùng trong Control systems toolbox (một số): 
Tên hàm Mô tả chức năng 
abs Tính giá trị tuyệt đối 
Acos Tính arcos 
Ans biến đƣợc tạo ra trong biểu thức 
Asin Tính giá trị arcsin 
Atan Tính giá trị arctan (2 quadrant) 
Atan2 Tính giá trị arctan(4 quadrant) 
Axis chỉ ra tỉ lệ trục bằng tay trên đồ thị. 
Bode tạo ra đồ thị đáp ứng tần số Bode. 
C2d chuyển đổi thể hiện hệ thống biến trạng thái liên tục thời gian sang thể hiện 
hệ thống rời rạc thời gian. 
Clear Xoá workspace 
Clf Xoá xử sổ đồ thị 
Conj Tính liên hợp phức (complex conjugate) 
Conv Nhân hai đa thức (convolution) 
Cos Tính giá trị côsin 
Ctrb Tính ma trận điều khiển đƣợc 
diary Lƣu phiên làm việc vào tập tin đĩa 
D2c chuyển đổi hệ biến trạng thái rời rạc thời gian sang hệ liên tục thời gian 
Eig Tính giá trị riêng và vector riêng. 
End kết thúc cấu trúc điều khiển 
Exp Tính lũy thừa với cơ số e. 
Expm Tính lũy thừa ma trận với cơ số e. 
eye tạo ra ma trận đơn vị. 
Feedback Tính kết nối vòng kín của hai hệ . 
For tạo ra vòng lặp 
Format thiết lập định dạng hiển thị ngõ ra. 
Grid on Thêm lƣới vào đồ thị hiện hành. 
Help In danh sách của chủ đề HELP(trợ giúp). 
Hold on giữ đồ thị hiện hành trên màn hình 
i 1 
imag Tính phần ảo của số phức. 
impulse Tính đáp ứng xung đơn vị của hệ thống. 
Inf thể hiện không xác định 
j 1 
legend đặt chú thích trên đồ thị hiện hành 
lsim Tính đáp ứng thời gian của hệ. 
minreal Rút gọn hàm truyền 
Nichols Tính toán đồ thị đáp ứng tần số Nichols 
Nyquist Tinh toán đáp ứng tần số Nyquist 
Plot vẽ đồ thị tuyến tính. 
Pole Tính cực của hệ 
Rlocus Tính quỹ đạo nghiệm số. 
Roots Tính nghiệm của đa thức. 
Ss tạo ra đối tƣợng mô hình không gian trạng thái. 
Step Tính đáp ứng nấc đơn vị của hệ thống. 
Tf tạo ra đối tƣợng mô hình hàm truyền. 
Xlabel Thêm nhãn vào trục x của đồ thị 
Ylabel Thêm nhãn vào trục y của đồ thị. 
 118 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Nguyễn Thị Phƣơng Hà(chủ biên), Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, 
NXB ĐHQG Tp. HCM, 2003. 
[2]. ĐHBK Tp. HCM, Bộ môn Điều khiển tự động, Thí nghiệm Điều khiển tự động 1, 
2008. 
[3]. B.C. Kuo, Automatic Control Systems, 8
th
 ed. , Wiley, 2003. 
[4]. Nguy ễn Đức Thành, Matlab và ứng dụng trong điều khiển, NXB ĐHQG Tp. HCM, 
2005. 
[5]. Phần mềm Matlab 6.5 và 7.0 v à Simulink. 
[6]. Toolbox ACSYS2002 chạy trên Matlab. 
 [7]. William J. Palm III, Introduction to Matlab 6 for Engineers, McGraw-Hill, 2001.