Bài thí nghiệm 1 môn Cơ sở 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 sử dụng các
lệnh của Matlab để phân tích hệ thống như xét tính ổn định của hệ thống, đặc tính quá độ,
sai số xác lập
II. CHUẨN BỊ :
Để thực hiện các yêu cầu trong bài thí nghiệm này, sinh viên cần phải chuẩn bị kỹ
trước các lệnh cơ bản của Matlab. Khi khởi động chương trình Matlab 6.5, cửa sổ Command
Window xuất hiện với dấu nhắc lệnh “>>”. Để thực hiện các lệnh, sinh viên sẽ gõ lệnh từ
bàn phím theo sau dấu nhắc này.
Sinh viên cần tham khảo phần phụ lục ở 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 nhân chia đa thức, biểu diễn hàm truyền hệ thống và kết nối các khối trong
hệ thống.
Ngoài ra, để phân tích đặc tính của hệ thống, sinh viên cần phải hiểu kỹ các lệnh sau:
? bode(G) : vẽ biểu đồ Bode biên độ và pha của hệ thống có hàm truyền G
? nyquist(G) : vẽ biểu đồ Nyquist hệ thống có hàm truyền G
? rlocus(G) : vẽ QĐNS hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở G
? step(G) : vẽ đáp ứng nấc của hệ thống có hàm truyền G
? hold on : giữ hình vẽ hiện tại trong cửa sổ Figure. Lệnh này hữu ích khi ta cần vẽ
nhiều biểu đồ trong cùng một cửa sổ Figure. Sau khi vẽ xong biểu đồ thứ nhất, ta gõ
lệnh hold on để giữ lại hình vẽ sau đó vẽ tiếp các biểu đồ khác. Các biểu đồ lúc sau
sẽ vẽ đè lên biểu đồ thứ nhất trong cùng một cửa sổ Figure này. Nếu không muốn
giữ hình nữa, ta gõ lệnh hold off.
Tóm tắt nội dung Bài thí nghiệm 1 môn Cơ sở tự động, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
cùng như hình bên dưới : Vào menu [File][Export] để lưu thành file *.bmp như ở Bài thí nghiệm 1. III.1.b. Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON-OFF: Mục đích: Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON-OFF, xét ảnh hưởng của khâu rơle có trễ. Thí nghiệm: Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ ON-OFF như sau: Trong đó: Page 13 of 18 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 hệ thống 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: Vùng trễ ( Switch on /off point ) Ngõ ra cao (Output when on) Ngõ ra thấp (Output when off) +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: Vùng trễ e1 -e2 Chu kỳ đóng ngắt (s) +1 / -1 +5 / -5 +10 / -10 +20 / -20 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. Trên hình vẽ chỉ rõ 2 sai số +e1 / -e2 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 bao nhiêu? Chu kỳ đóng ngắt lúc này thay đổi như thế nào? Trong thực tế, ta thực hiện bộ điều khiển ON-OFF như vậy có được không? Tại sao? Vùng trễ lựa chọn 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 trị đặt, sai số của nó được đánh giá qua biên độ của sai lệch nhiệt độ: e = Đặt – Phản hồi khi hệ thống có dao động ổn định. Báo cáo hai giá trị sai lệch dương +e1 (lớn hơn) và âm -e2 (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 đóng ngắt. Nếu vùng trễ nhỏ thì sai số ngõ ra nhỏ nhưng chu kỳ đóng ngắt sẽ tăng lên làm giảm tuổi thọ bộ điều khiển ON-OFF. Page 14 of 18 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 hệ thống 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-Nichols như sau: ( ) IP D KPID s K K s s Với: 0.51.2 , 2 P P P I D K K LTK K K LK LK K 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. Page 15 of 18 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 hàm truyền 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 DC như sau: Trong đó: Phần ứng : R = 1, 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 phầøn chuyển động, J = 0.02 kgm/s2 tốc độ quay của động cơ (rad /s) 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 DC dùng bộ điều khiển PID có tính đến sự bảo hòa của bộ điều khiển. Khảo sát ảnh hưởng của 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: 333.4 1 ( 31.2)( 2.14) 10s s s U Page 16 of 18 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 lập của ngõ ra theo bảng sau: KP 1 10 20 50 100 POT exl txl 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 độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau: KI 0.1 0.5 0.8 1 2 POT exl txl Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KI thay đổi. Giải thích. So sánh 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 độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau: KD 0.1 0.2 0.5 1 2 POT exl txl Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KD thay đổi. Giải thích. So sánh 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 bộ điều khiển PID có tính đến sự bảo hòa của bộ điều khiển. Khảo sát ảnh hưởng của bộ điều khiển PID đến đáp ứng ngõ ra với tín hiệu đầu vào là hàm dốc. Page 17 of 18 Thí nghiệm: Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển PID vị trí độ động cơ DC như sau: Trong đó: Tín hiệu đặt đầu vào hàm dốc có biên độ = 10, tần số 0.1Hz ( tượng trưng vị trí đặt thay đổi theo dạng sóng tam giác) 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 lập của ngõ ra theo bảng sau: KP 1 10 20 50 100 POT exl txl 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 độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau: KI 0.1 0.5 0.8 1 2 POT exl txl Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KI thay đổi. Giải thích. So sánh 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: Page 18 of 18 KD 0.1 0.2 0.5 0.8 1 POT exl txl Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi KD thay đổi. Giải thích. So sánh 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:
File đính kèm:
bai_thi_nghiem_1_mon_co_so_tu_dong.pdf
