Bài thí nghiệm 5 môn Cơ sở tự động - Quạt và tấm phẳng

 sát và thiết kế bộ điều khiển PID xung quanh điểm làm việc tĩnh. Khảo sát ảnh 
hưởng của các đặc tính phi tuyến của hệ thống lên chất lượng điều khiển. 
• Xây dựng biểu đồ Bode cho hệ thống. Từ đó xây dựng bộ điều khiển đảm bảo chất 
lượng điều khiển dựa trên phương pháp biểu đồ Bode. 
III.2 Chuẩn bị thí nghiệm: 
Sinh viên thực hiện mô phỏng mô hình ở mục II.1.1 với các thông số sau: 
Tiết diện tấm phẳng 20.06A m= 
Moment quán tính 20.007J kgm= 
Góc làm việc 00 10ψ = 
Khoảng cách giữa tâm quay và tâm của lực tác động 0.17pl m= 
Khoảng cách giữa tâm quay và trọng tâm của tấm phẳng 0.15Ml m= 
Hệ số damping 0.01b = 
Thời hằng của motor: 1 0.1T s= 
Giã sữ nhiễu tác động lên hệ thống là nhiễu trắng với công suất là 0.001 
Hệ số khuếch đại: 1 1000K = 
1. Khảo sát đáp ứng của hệ thống trong ba trường hợp đối với thời gian trễ 0τ = , 0.02sτ =
và 0.1sτ = . 
2. Khảo sát và thiết kế bộ điều khiển PID cho trường hợp 0.02sτ = . 
3. Khảo sát biểu đồ bode của hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển sớm trễ pha để hệ thống thỏa 
mãn yêu cầu 10GM dB> , 045MΦ > . Kiểm tra đáp ứng hệ thống sau khi thiết kế. 
 Page 12 of 22 
IV. Phan	4	Thı́	nghiệm	và	Ke t	Quả	
IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ thống: 
Trong thí nghiệm này, sinh viên khảo sát 2 yếu tố sau: 
• Khảo sát liên hệ giữa điện áp và tốc độ quạt 1K ở phương trình (1) 
• Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ quạt và góc nghiêng của hệ. 
Từ mô hình lý thuyết của hệ thống ở mục II.1.1, trong phạm vi góc khảo sát nhỏ, ta có 
thể xem liên hệ giữa góc nghiêng và tốc độ quat theo công thức sau. 
2
0kψ = Ω (9) 
Trình tự thí nghiệm 
a. Mở file fan_plate_gain.mdl 
b. Đặt điện áp điều khiển ngõ vào là 2V 
c. Biên dịch chương trình và chạy (xem hướng dẫn ở mục I.3) 
d. Mở Scope, ghi nhận kết quả tốc độ quat và góc nghiêng ở trạng thái xác lập gi kết quả 
vào các Bảng tương ứng 
e. Lặp lại các bước b. đến d. với các điện áp còn lại như trong Bảng 2 và Bảng 3. 
IV.1.1 Trường hợp 1: 
Đặt quạt ở vị trí 1 như Hình 2, thay đổi điện áp từ thấp đến cao, xác định góc nghiêng của tấm 
phẳng, ghi giá trị vào Bảng 2. 
Chú ý: góc nghiêng được xác định ở vị trí xác lập. 
Bảng 2: Liên hệ giữa tốc độ quạt và góc nghiêng của tấm phẳng trường hợp 1 
Điện áp(V) 2 4 6 8 10 
Tốc độ 
Góc 
1K 
0k 
 Page 13 of 22 
Điện áp(V) 12 14 16 18 
Tốc độ 
Góc 
1K 
0k 
Dựa vào Bảng 2 sinh viên vẽ các đồ thị của 1K và 0k . Nhận xét. 
IV.1.2 Trường hợp 2 
Đặt quạt ở vị trí 2 như Hình 3, thay đổi tốc độ của quạt từ thấp đến cao, xác định góc nghiêng 
của tấm phẳng, ghi giá trị vào Bảng 3. 
Bảng 3: Liên hệ giữa tốc độ quạt và góc nghiêng của tấm phẳng trường hợp 2 
Điện áp(V) 2 4 6 8 10 
Tốc độ 
Góc 
1K 
0k 
Điện áp(V) 12 14 16 18 
Tốc độ 
Góc 
1K 
 Page 14 of 22 
0k 
Dựa vào Bảng 3, sinh viên vẽ các đồ thị của 1K và 0k . Nhận xét. 
***Nhận xét chung: 
IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế bộ điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols 
Trong thí nghiệm này, sinh viên sẽ khảo sát những vấn đề sau: 
• Ứng dụng phương pháp Ziegler-Nichols vòng kín để thiết kế bộ PID điều khiển góc 
nghiêng của tấm phẳng tại góc làm việc 010θ = 
• Khảo sát ảnh hưởng của các thông số PID lên chất lượng điều khiển. 
• Khảo sát ảnh hưởng của tính phi tuyến của hệ thống trong trường hợp góc làm việc cần 
điều khiển khác nhau. 
IV.2.1 Khảo sát các thông số tới hạn và thiết kế bộ điều khiển PID 
Trình tự thí nghiệm: 
a. Mở file fan_plate_PID.mdl 
b. Đặt góc điều khiển mong muốn là 010θ = 
c. Đặt thông số bộ PID: 0.4Kp = ; 0Ki = ; 0Kd = . 
d. Biên dịch chương trình và chạy (xem hướng dẫn ở mục I.3) 
e. Mở Scope, kiểm tra đáp ứng góc nghiêng của đĩa 
f. Lặp lại bước c. và bước e. cho đến khi hệ không ổn định 
g. Lưu lại đồ thị, xác định Kgh và Tu. 
h. Tính toán các thông số PID theo bảng Bảng 1. 
i. Nhập lại thông số bộ PID vừa tính toán được. 
j. Biên dịch chương trình, chạy và lưu kết quả điều khiển. 
k. Thay đổi thông số theo yêu cầu ở các thí nghiệm IV.2.3 và IV.2.4. chạy và lưu kết quả 
điều khiển 
 Page 15 of 22 
IV.2.1.1 Trường hợp 1: 
Đặt quạt ở vị trí 1 như Hình 2 
Khảo sát các thông số của hệ thống 
Khảo sát hệ thống theo mục II.1.2. Tìm các thông số của hệ thống. ( Chú ý: Thí nghiệm này 
không tìm được Kgh mà tại đó hệ thống dao động điều hòa. Trong trường hợp này Kgh là ngưỡng 
mà hệ thống đi từ ổn định sang không ổn định.) 
ghK = 
uT = 
Đáp ứng của hệ thống tại ghK : 
Thông số Bộ điều khiển 
Kp = Kp0 = 
Ki = Ki0 = 
Kd = Kd0 = 
( Sinh viên chú ý các thông sô PID này để sử dụng trong thí nghiệm IV.2.3) 
Từ bộ PID thiết kế, vẽ đáp ứng của hệ thống, cho biết thời gian lên, thời gian xác lập sau thiết 
kế. 
 Page 16 of 22 
IV.2.2 Trường hợp 2: 
Đặt quạt ở vị trí 2 như Hình 3, 
Khảo sát các thông số của hệ thống 
Khảo sát hệ thống theo mục II.1.2. Tìm các thông số của hệ thống. ( Chú ý: Trong trường hợp 
này Kgh cũng được tìm giống như trường hợp 1) 
ghK = 
thT = 
Đáp ứng của hệ thống: 
Thông số Bộ điều khiển 
Kp = Kp1 = 
Ki = Ki1 = 
Kd = Kd1 = 
Từ bộ PID thiết kế, vẽ đáp ứng của hệ thống, cho biết thời gian lên, thời gian xác lập sau thiết 
kế. 
***Nhận xét chung cho kết quả thiết kế và điều khiển trong 2 trường hợp: 
 Page 17 of 22 
IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều khiển: 
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số lên hệ thống trong trường hợp Quạt đặt ở vị trí 1 
1. Ảnh hưởng của Kd 
Cho 0Kp Kp= , 0Ki Ki= thay đổi 0
2
KdKd =
 và 2 0Kd Kd= × ; so sánh và đánh giá kết quả 
điều khiển (Chú ý: 0, 0, 0Kp Ki Kd : là thông số bộ điều khiển PID trong trường hợp IV.2.1.1) 
Vẽ đáp ứng của hệ thống trong cả 3 trường hợp 0Kd Kd= , 0
2
KdKd =
 và 2 0Kd Kd= × 
2. Ảnh hưởng của Ki 
Cho 0Kp Kp= , 0Kd Kd= thay đổi 0
2
KiKi =
 và 2 0Kd Ki= × ; so sánh và đánh giá kết quả 
điều khiển. (Chú ý: 0, 0, 0Kp Ki Kd : là thông số bộ điều khiển PID trong trường hợp IV.2.1.1) 
Vẽ đáp ứng của hệ thống trong cả 3 trường hợp 0Ki Ki= , 0
2
KiKi =
 và 2 0Ki Ki= × 
3. Ảnh hưởng của Kp 
Cho 0Ki Ki= , 0Kd Kd= thay đổi 0
2
KpKp =
 và 2 0Kp Kp= × ; so sánh và đánh giá kết quả 
điều khiển.(Chú ý: 0, 0, 0Kp Ki Kd : là thông số bộ điều khiển PID trong trường hợp IV.2.1.1). 
 Page 18 of 22 
Vẽ đáp ứng của hệ thống trong cả 3 trường hợp 0Kp Kp= , 0
2
KpKp =
 và 2 0Kp Kp= × 
***Nhận xét chung: 
IV.2.4 Khảo sát kết quả điều khiển ở các góc đặt khác nhau 
Đặt quạt ở vị trí 1 như Hình 2, với thông số điều khiển PID trong trường hợp IV.2.1.1, 
xác định đáp ứng của hệ thống cho các trường hợp góc đặt mong muốn là 05dθ = và 015dθ =
. Vẽ đáp ứng cho cả 3 trường hợp 05dθ = , 015dθ = và 015dθ = trên cùng 1 Đồ thị. 
Nhận xét kết quả điều khiển và giải thích: 
IV.3 Thí nghiệm 3: 
Trong thí nghiệm này, sinh viên sẽ khảo sát hệ thống dùng phương pháp biểu đồ Bode xung 
quanh điểm 010θ = . Trên cơ sở đó, sinh viên xây dựng bộ điều khiển dựa trên Bode thu được. 
 Page 19 of 22 
Hướng dẫn: từ kết quả điều khiển ở Thí nghiệm IV.2, xác định điện áp 0u u= tại điểm làm 
việc 00 10ψ ψ= = . Cho điện áp vào dạng sin 00 sinu u A tω= + với các tần số thay đổi từ thấp 
đến cao, xác định biên độ và pha cho từng tần số, từ đó xây dựng biểu đồ Bode cho hệ thống. 
Chú Ý: 
• Biên độ sóng sin 0A không quá lớn để đảm bảo đáp ứng ngõ ra dao động quanh điểm 
00 10ψ ψ= = ( 0 05 15ψ = ÷ ). 
• Thời gian khảo sát phải đủ lớn để đảm bảo đáp ứng của hệ thống ở trạng thái xác lập. 
Trình tự Thí nghiệm 
a. Mở file fan_plate_response.mdl 
b. Cài đặt biên độ sóng sine bằng 0 0.3A = 
c. Tăng giá trị của 0A để phạm vi dao động của thỏa 0 05 15ψ = ÷ 
d. Cài đặt tần số sóng sine 0.1f Hz= . 
e. Biên dịch chương trình và chạy (xem hướng dẫn ở mục 3.2) 
f. Mở scope để xem đáp ứng, xác định tỉ số biên độ giữa tín hiệu ngõ ra và tín hiệu đặt 
0/A A , xác định độ trễ pha ϕ giữa hai tín hiệu bằng cách đo thời gian ∆t 
g. Ghi lại các kết quả vào Bảng. Lưu ý: biên độ tín hiệu phải được tính bằng cách chia 
khoảng cách giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất cho 2 vì giá trị trung bình 0 có thể không 
xác định chính xác trên scope 
h. Lặp lại các bước d. đến g. với các tần số còn lại như trong Bảng. 
IV.3.1 Trường hợp 1: 
Đặt quạt ở vị trí 1 như Hình 2 
Vẽ đáp ứng, tìm các thông số tương ứng và điền vào Bảng 4 
Bảng 4: Khảo sát biểu đồ Bode trong trường hợp 1 
ω(rad/s) 0.1 1 3 5 7 
0
A
A 
L(dB) 
t∆
ϕ∆ (0) 
 Page 20 of 22 
ω(rad/s) 8 9 11 13 20 
0
A
A 
L(dB) 
t∆ 
ϕ∆ (0) 
Vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống: 
Dựa trên biểu đồ Bode; Xác định tần số cộng hưởng của hệ, tìm độ dự trữ biên và độ dự trữ pha 
của hệ thống. 
IV.3.2 Trường hợp 2: 
Đặt quạt ở vị trí 2 như Hình 3, Vẽ đáp ứng, tìm các thông số tương ứng và điền vào Bảng 5 
Bảng 5: Khảo sát biểu đồ Bode trong trường hợp 1 
ω(rad/s) 0.1 1 3 5 7 
0
A
A 
L(dB) 
t∆ 
ϕ∆ (0) 
 Page 21 of 22 
ω(rad/s) 8 9 11 13 20 
0
A
A 
L(dB) 
t∆ 
ϕ∆ (0) 
Vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống: 
Dựa trên biểu đồ Bode; Xác định tần số cộng hưởng của hệ, tìm độ dự trữ biên và độ dự trữ pha 
của hệ thống. 
V. Báo	cáo	thı́	nghiệm	
1. Trình bày kết quả mô phỏng mục III.2 Chuẩn bị thí nghiệm: 
2. Vị trí quạt ảnh hưởng như thế nào đến hệ số k ở IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ 
thống:. 
3. Vị trí quạt ảnh hưởng như thế nào đến ghK và uT ở IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế bộ điều 
khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols. 
 Page 22 of 22 
4. Ảnh hưởng của các thông số , ,Kp Ki Kd ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng điều 
khiển của hệ thống IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều khiển:. So sánh với 
kết quả khảo sát mô phỏng? 
5. Nhận xét chất lượng điều khiển khi trong trường hợp điều khiển cho các điểm làm việc 
tỉnh khác nhau ở IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều khiển:. Giải thích? 
6. Xác định đỉnh cộng hưởng, tần số cộng hưởng ở IV.3 Thí nghiệm 3:. Xác định hàm 
truyền của hệ thống trong 2 trường hợp. 
7. Tính độ dự trữ biên, pha của hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển dựa trên kết quả khảo sát 
trong trường hợp quạt ở vị trí 1 để đảm bảo 10GM dB> , 045MΦ >