Bài thí nghiệm 4 môn Cơ sở tự động - Khảo sát bộ điều khiển PID số

 số như sau: 
1 1( )
2 1
I DK T z K zG z
z T z
   
2.2. Đặc trưng của các bộ điều khiển P, I, D 
Điều khiển tỉ lệ (KP) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng 
không loại bỏ sai số xác lập. Điều khiển tích phân (KI) sẽ loại bỏ sai số xác lập nhưng có thể 
làm đáp ứng quá độ xấu đi. Điều khiển vi phân (KD) có tác dụng làm tăng sự ổn định của hệ 
thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ. Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển KP, KI và 
KD lên hệ thống vòng kín được tóm tắt ở bảng bên dưới (Bảng 1). 
Bảng 1: Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển KP, KI và KD 
Đáp ứng 
vòng kín 
Thời gian 
lên 
Vọt lố Thời gian 
xác lập 
Sai số 
xác lập 
Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm 
Ki Giảm Tăng Tăng Loại bỏ 
Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ 
Chú ý rằng các mối liên hệ này không chính xác hoàn toàn bởi vì KP, KI và KD phụ 
thuộc vào nhau. Vì vậy, bảng này chỉ dùng tham khảo khi xác định các tham số KP, KI và KD. 
III. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 
Sinh viên xem phần Mô tả thí nghiệm của Bài thí nghiệm số 4 
Page 2 of 6 
IV. CHUẨN BỊ TRƯỚC THÍ NGHIỆM 
4.1. Điều khiển tốc độ mô hình động cơ DC 
yellow
magenta
Zero-Order
Hold
2
0.3s+1
Transfer FcnSet point
(rpm)
Scope
ek uk
Discrete
PID Controller
Hình 1. Sơ đồ Simulink mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ DC 
1
uk
Kp
Kp
Ki*T/2
Ki
Kd/T
Kd
z+1
z-1
I
z-1
z
D
Add
1
ek
Giả sử mô hình động cơ có hàm truyền như trong mục 4.1 của Bài thí nghiệm số 4 
với: 
 K  số thứ tự nhóm,  0.3  
Xây dựng bộ điều khiển PID rời rạc với các yêu cầu sau: 
a) Tạo file mô phỏng như ở Hình 1, trong đó bộ điều khiển PID số như ở Hình 2. 
b) Cài đặt tốc độ đặt (Set point) = 800, và KP = 1, KI = KD = 0, thời gian lấy mẫu 
0.005T s . 
Chú ý: Khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID 
controller” và thời gian lấy mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation -> 
Configuration) 
c) Chạy mô phỏng 
d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập 
e) Lặp lại bước b) tới d) với các tham số (KP = 1, KI = 10, KD = 0). Nhận xét kết quả mô 
phỏng trong 2 trường hợp khi không có khâu tích phân (KI = 0) và có khâu tích phân 
(KI = 10) 
4.2. Điều khiển vị trí mô hình động cơ DC 
Xây dựng bộ điều khiển PID rời rạc với các yêu cầu sau: 
a) Tạo file mô phỏng như ở Hình 3, trong đó bộ điều khiển PID số như ở Hình 2. 
Hình 2. Bộ điều khiển PID số (Discrete PID Controller) 
Page 3 of 6 
b) Cài đặt vị trí đặt (Set point) = 100, và KP = 5, KI = 1, KD = 0, thời gian lấy mẫu 
0.005T s . 
Chú ý: Khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID 
controller” và thời gian lấy mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation -> 
Configuration) 
c) Chạy mô phỏng 
d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập 
e) Lặp lại bước b) tới d) với các tham số (KP = 5, KI = 1, KD = 1). Nhận xét kết quả mô 
phỏng trong 2 trường hợp khi không có khâu vi phân (KD = 0) và có khâu vi phân (KD 
= 1) 
yellow
magenta
Zero-Order
Hold
2
0.3s+1
Transfer FcnSet point
(rad)
Scope
1
s
Integrator
ek uk
Discrete
PID Controller
Hình 3. Sơ đồ Simulink mô phỏng điều khiển vị trí động cơ DC 
V. THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 
5.1. Điều khiển tốc độ động cơ DC 
Trong phần thí nghiệm này ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của các thông số KP, KI, KD trong bộ 
điều khiển PID, và thời gian lấy mẫu lên chất lượng của đáp ứng tốc độ động cơ. 
a. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KP 
Các bước thí nghiệm: 
a) Mở file motor_speed_ctrl.mdl 
b) Cài đặt tốc độ đặt (Set point) = 800 v/p, và KP = 0.02, KI = KD = 0, thời gian lấy mẫu 
0.005T s . 
Chú ý: Khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID 
controller” và thời gian lấy mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation -> 
Configuration) 
c) Biên dịch chương trình và chạy 
d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập 
e) Ghi lại các kết quả vào Bảng 2 
f) Lặp lại bước d) tới e) với các tham số KP còn lại như trong Bảng 2. 
Bảng 2. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KP (KI = 0, KD = 0) 
KP 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 
Thời gian xác lập (s) 
Độ vọt lố (%) 
Sai số xác lập (v/p) 
Page 4 of 6 
b. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KI 
Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.1.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 3. 
Bảng 3. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KI (KP = 0.02, KD = 0) 
KI 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 
Thời gian xác lập (s) 
Độ vọt lố (%) 
Sai số xác lập (v/p) 
c. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu T 
Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.1.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 4. 
Bảng 4. Khảo sát ảnh hưởng của tham số T (KP = 0.02, KI = 0.1, KD = 0) 
T 0.005 0.01 0.02 0.03 0.05 
Thời gian xác lập (s) 
Độ vọt lố (%) 
Sai số xác lập (v/p) 
5.2. Điều khiển vị trí động cơ DC 
Trong phần thí nghiệm này ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của các thông số KP, KI, KD 
trong bộ điều khiển PID, và thời gian lấy mẫu lên chất lượng của đáp ứng vị trí động cơ. 
a. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KP 
Các bước thí nghiệm: 
a) Mở file motor_pos_ctrl.mdl 
b) Cài đặt vị trí đặt (Set point) = 10000, và KP = 0.005, KI = KD = 0, thời gian lấy mẫu 
0.005T s . 
Chú ý: Khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID 
controller” và thời gian lấy mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation -> 
Configuration) 
c) Biên dịch chương trình và chạy 
d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập 
e) Ghi lại các kết quả vào Bảng 5 
f) Lặp lại bước d) tới e) với các tham số KP còn lại như trong Bảng 5. 
Bảng 5. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KP (KI = 0, KD = 0) 
KP 0.005 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 
Thời gian xác lập (s) 
Độ vọt lố (%) 
Sai số xác lập (độ) 
Page 5 of 6 
b. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KI 
Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.2.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 6. 
Bảng 6. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KI (KP = 0.02, KD = 0) 
KI 0.002 0.005 0.01 0.02 0.05 0.1 
Thời gian xác lập (s) 
Độ vọt lố (%) 
Sai số xác lập (độ) 
c. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KD 
Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.2.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 7. 
Bảng 7. Khảo sát ảnh hưởng của tham số KD (KP = 0.02, KI = 0.02) 
KD 0.0005 0.001 0.005 0.01 0.05 0.1 
Thời gian xác lập (s) 
Độ vọt lố (%) 
Sai số xác lập (độ) 
d. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu T 
Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.2.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 8. 
Bảng 8. Khảo sát ảnh hưởng của tham số T (KP = 0.02, KI = 0.02, KD = 0.002) 
T 0.005 0.01 0.03 0.05 0.1 
Thời gian xác lập (s) 
Độ vọt lố (%) 
Sai số xác lập (độ) 
Page 6 of 6 
Báo cáo thí nghiệm 
Họ và tên: Nhóm: Ngày: 
1. Dựa vào các kết quả thí nghiệm ở mục 5.1, nhận xét ảnh hưởng của các tham số KP, KI, 
KD, và thời gian lấy mẫu lên chất lượng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ. 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
2. Dựa vào các kết quả thí nghiệm ở mục 5.2, nhận xét ảnh hưởng của các tham số KP, KI, 
KD, và thời gian lấy mẫu lên chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ. 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................ 
................................................................................................................................................................