Báo cáo Thí nghiệm Cơ sở tự động - Bài 1: Ứng dụng matlab phân tích các hệ thống điều khiển tự động

ặt ở ngỏ vào với đáp ứng của hệ thống ở ngỏ ra)
Tính toán và ghi nhận số liệu vào bảng khảo sát. Quay lại bước 2, lần lượt thay đổi các thông số của KP để điền đầy đủ vào bảng khảo sát.
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1
Thời gian xác lập (s)
0.33
0.535
0.35
0.375
0.28
0.275
Độ vọt lố (%)
0%
2.31%
4.06%
4.64%
2.95%
1.26%
Sai số xác lập (v/p)
300
150
85
45
20
10
Khảo sát ảnh hưởng của tham số 
Các bước thí nghiệm tiến hành tương tự như phần thí nghiệm trên. Nhưng ở bước 2 ta tiến hành thay đổi các thông số cho phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm: KP=0.02, KD=0. Lần lượt thay đổi các giá trị của KI như yêu cầu:
KI = 0.02
motor speed
set value
control signal
KI = 0.1
set value
control signal
motor speed
KI = 0.5
control signal
motor speed
set value
Tính toán và ghi nhận vào bảng số liệu:
KI
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1
Thời gian xác lập (s)
3.765
1.165
0.835
1.28
2.95
Hệ dao động liên tục.
Độ vọt lố (%)
0%
0%
8.75%
35.75%
54.12%
Sai số xác lập (v/p)
0
0
0
0
0
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu T
Thực hiện các bước thí nghiệm tương tự như thí nghiệm 5.1.a. 
Lưu ý: 
Thay đổi các thông số phù hợp với yêu cầu thí nghiệm: KP=0.02, KI=0.1, KD = 0)
khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID controller” và thời gian lấy mẫu của toàn bộ hệ thống ( vào menu Simulation à Configuration )
Lần lượt thay đổi các giá trị của T. 
Khối Discrete PID controller.
Khối Configuration Parameters:
T = 0.03
motor speed
set value
control signal
T = 0.05
set value
control signal
motor speed
Tính toán và ghi nhận vào bảng số liệu:
T
0.005
0.01
0.02
0.03
0.05
Thời gian xác lập (s)
0.855
0.86
0.88
0.84
0.825
Độ vọt lố (%)
10%
10.375%
13%
19.38%
34%
Sai số xác lập (v/p)
0
0
0
0
0
Điều khiển vị trí đông cơ DC:
Khảo sát ảnh hưởng của tham số 
Các bước thí nghiệm: 
Khởi động phần mềm Matlap: tại giao diện chính, chọn Mở file motor_pos_ctrl.mdl
Sơ đồ Simulink mô phỏng:
Cài đặt vị trí đặt ( Set point ) = 10000 v/p, KP = 0.05, KI=KD= 0, thời gian lấy mẫu T = 0.005s. Click vào khối Discrete PID controller
Biên dịch và chạy chương trình: 
Mở Scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập.
Tính toán và ghi nhận số liệu vào bảng khảo sát. Quay lại bước 2, lần lượt thay đổi các thông số của KP để điền đầy đủ vào bảng khảo sát.
Kp = 0.05
set value
control signal
motor position
Kp = 0.2
control signal
motor position
set value
KP
0.005
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
Thời gian xác lập (s)
0.96
1.39
1.68
2.48
3.38
Hệ dao động
Độ vọt lố (%)
0
39.8
43.4
45.4
46.9
Sai số xác lập (độ)
4.2%
4.1%
2.3%
3.2%
4.3%
Khảo sát ảnh hưởng của tham số 
Các bước thí nghiệm tiến hành tương tự như phần thí nghiệm trên. Nhưng ở bước 2 ta tiến hành thay đổi các thông số cho phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm: KP=0.02, KD=0. Lần lượt thay đổi các giá trị của KI như yêu cầu:
KI = 0.002
control signal
motor position
set value
KI = 0.01
motor position
set value
control signal
KI = 0.05
set value
motor position
control signal
Tính toán và ghi nhận vào bảng số liệu:
KI
0.002
0.005
0.01
0.02
0.05
0.1
Thời gian xác lập (s)
1.5
1.715
1.765
2
5.4
Không xác định
Độ vọt lố (%)
41.6%
46.1%
51.7%
62.5%
93.8%
Không xác định
Sai số xác lập
3.2%
3%
4.2%
5.2%
3.1%
Không xác định
Khảo sát ảnh hưởng của tham số 
Các bước thí nghiệm tiến hành tương tự như phần thí nghiệm trên. Nhưng ở bước 2 ta tiến hành thay đổi các thông số cho phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm: KP=0.02, KD=0. Lần lượt thay đổi các giá trị của KD như yêu cầu:
KD = 0.0005
control signal
motor position
set value
KD = 0.005
Tính toán và ghi nhận vào bảng số liệu:
KD
0.0005
0.005
0.001
Thời gian xác lập (s)
1.485
3.26
1.05
Độ vọt lố (%)
53%
17%
44.3%
Sai số xác lập
3.2%
1%
1.9%
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu T
Thực hiện các bước thí nghiệm tương tự như thí nghiệm 5.1.a. 
Lưu ý: 
Thay đổi các thông số phù hợp với yêu cầu thí nghiệm: KP=0.02, KI=0.1, KD = 0)
khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID controller” và thời gian lấy mẫu của toàn bộ hệ thống ( vào menu Simulation à Configuration )
Lần lượt thay đổi các giá trị của T. 
Khối Discrete PID controller.
Khối Configuration Parameters:
Tính toán và ghi nhận vào bảng số liệu:
T
0.005
0.01
0.02
0.03
0.05
Thời gian xác lập (s)
0.865
0.861
0.86
0.84
0.8
Độ vọt lố (%)
10.8%
10.4%
40.5%
19.25%
34%
Sai số xác lập
0
0
0
0
0
BAØI THÍ NGHIEÄM 5
HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN NHIEÄT ÑOÄ
Mục đích:
 Làm quen với đối tượng lò nhiệt: đặc tính vòng hở của hệ thống, tìm các thông số của lò nhiệt như thời hằng T, hệ số khuếch đại công suất
 Tìm hiểu và so sánh nguyên lý điều khiển ON-OFF với điều khiển tuyến tính (PID) trong điều khiển nhiệt độ.
Trình tự thí nghiệm
 II.1. Đo quá trình quá độ hệ hở, đầu vào hàm nấc:
 Đặt công suất ngõ ra 30% tương ứng với nhiệt độ là 60 độ C, ghi nhiệt độ lò trong khoảng 30 phút ta được bảng sau:
Bảng kết quả thí nghiệm:
t(min)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
25
27.3
29.3
31.7
34.4
37.6
40.8
44
47
49
51.5
53.5
t(min)
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
54
56
58
57.8
59
60
61
61.3
62.8
62
63.6
62.4
t(min)
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
63.3
64.2
64
64.4
63.9
64.1
64.6
65
64.9
64.6
64.7
64.9
 Đặc tính quá độ của lò nhiệt:
-Tính toán các hệ số của hàm truyền lò nhiệt theo Ziegler-Nichol:
	L= 1.5 min;	T= 14.5 min;	K= (65-25)/30= 4/3
II.2. Điều khiển On – Off :
 Mở cửa lò, dùng quạt để hạ nhiệt độ trong lò xuống dưới 300C, dặt chế độ vòng KÍN, chuyển công tắc phương pháp điều khiển sanh ON-OFF, bật công tắc ĐO-ĐẶT sang ĐẶT, chỉnh biến trở để có nhiệt độ dặt là 600C. Bật công tắc ĐO-ĐẶT sang ĐO để thí nghiệm. Đóng điện lò, ghi lại quá trình gia tăng nhiệt.
	(Giả sử ta đặt mức ON = 100 và OFF = 0 để tiện cho việc vẽ đồ thị).
Bảng kết quả thí nghiệm:
t (min)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
30
36.5
44.6
55
62
64.6
65.5
64
63
61
59
57
ON-OFF
100
100
100
100
0
0
0
0
0
0
0
0
t (min)
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
59
64.5
62.5
63.1
61.5
60
58.3
60
62
62.5
62
61
ON-
OFF
100
0
0
0
0
0
0
100
0
0
0
0
t (min)
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
64.5
59
57.6
60
62
61
61
60.8
60.5
61.8
ON-OFF
0
0
100
0
0
0
0
0
100
0
Đồ thị điều khiển On-Off:
+ Dựa vào hình vẽ ta có: Vùng trễ: (58-62 (oC) hay +-2(oC))
+ Sai số thực tế: 
Nhận xét: Sai số điều khiển khá lớn so với vùng trễ là do tính gia nhiệt của lò nhiệt khá lớn. Khi nhiệt độ tăng lên tới 60oC thì ngắt nhưng dó quán tính nhiệt nên nhiệt độ vẫn tăng lên một đoạn. Và khi nhiệt độ giảm dưới 60oC thì lò nhiệt bắt đầu mở lại, nhưng do quá trình mở lại nhiệt độ của điện trở nhiệt tăng từ từ nên nhiệt độ lò hơi vẫn bị giảm một lượng.
II.3. Điều khiển tuyến tính:
 -Khảo sát hệ thống điều khiển tuyến tính nhiệt độ với bộ hiệu chỉnh P (bộ hiệu chỉnh là bộ khuếch đại tín hiệu sai số nhiệt độ).
 -Mở cửa lò để hạ nhiệt độ xuống dưới 300C, vẫn giữ nhiệt độ đặt là 600C, chuyển công tắc phương pháp điều khiển sang PI.
 Bảng kết quả thí nghiệm:
t(min)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
30
37.3
44.4
53.7
60.2
60.5
62.2
61.2
59.7
57.7
56.2
57.3
%CS
100
100
100
60
2
2.7
2.7
2.7
11.6
17.1
27.8
40.2
t(min)
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
56.6
57.6
56.8
56.3
56
56.2
56
%CS
30.1
29.2
24.7
23
29.2
28.5
29
t(min)
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
%CS
Đồ thị điều khiển tuyến tính:
Dựa vào hình vẽ ta có:
Độ vọt lố: 
Thời gian quá độ (5%) = 8.2 (min)
- Sai số xác lập = 60-56=4
Nhận xét và so sánh chất lượng điều khiển của bộ điều khiển tuyến tính so với bộ điều khiển ON-OFF:
Đặc tính quá độ của điều khiển ON-OFF dao động quanh giá trị đặt trước. Sai số thực tế là khá lớn.
Đặc tính quá độ của bộ điều khiển tuyến tính tiến đến một giá trị xác lập, tuy nhiên sai số xác lập khá lớn . Nhưng vẫn nhỏ hơn so với sai số thực tế của điều khiển ON-OFF.
Đặc tính quá độ của điều khiển tuyến tính khi t tiến ra vô cùng gần như là đường thẳng, ổn định hơn so với điều khiển ON-OFF ( luôn dao động ).
 Vậy chất lượng điều khiển của bộ điều khiển tuyến tính tốt hơn bộ điều khiển ON-OFF.
	II.4. Điều khiển PID
Khảo sát điều khiển nhiệt độ với phương pháp hiệu chỉnh PID để so sánh thời gian quá độ, sai số nhiệt độ với 2 phương pháp ON-OFF và tuyến tính ở trên, đồng thời giúp làm quen các chức năng cài đặt, sử dụng thiết bị điều khiển nhiệt độ tích hợp phổ biến theo tiêu chuẩn chung trên thị trường hiện nay.
Từ thí nghiệm vòng hở của lò 1 ta có các thông số L, T, từ đó ta tính được:
(Giả sử ta đặt mức ON = 100 và OFF = 0 để tiện cho việc vẽ đồ thị)
Bảng kết quả thí nghiệm: 
t(min)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
32
32
34
37
42
44
45
46
46
46
45
45
ON
100
100
100
100
0
0
0
0
0
0
0
0
t(min)
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
44
44
43
43
42
42
41
41
40
40
39
39
ON
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
100
100
t(min)
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
41
42
44
45
44
44
43
42
41
40
39
40
ON
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
100
0
t(min)
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
39
40
41
40
40
39
40
40
40
39
40
ON
100
0
0
0
0
100
0
0
0
0
0
Đồ thị điều khiển PID:
Dựa vào hình vẽ ta có:
 Độ vọt lố: 
 Thời gian quá độ (5%) = 31 (min)
 Sai số xác lập = 0
Nhận xét, so sánh điều khiển PID với điều khiển tuyến tính và điều khiển ON-OFF
 Điều khiển PID có thời gian quá độ rất lâu, lâu hơn nhiều so với điều khiển tuyến tính.
 Độ vọt lố của điều khiển PID là 12,5% lớn hơn so với điều khiển tuyến tính. 
Sai số xác lập bằng 0 , Điều khiển PID khi xác lập cho kết quả gần như chính xác, chính xác hơn nhiều so với điều khiển ON-OFF và điều khiển tuyến tính, cho sai số khá lớn.