Báo cáo thí nghiệm Cơ sở tự động - Hoàng Trung Hiếu

84
6
0.25
1.8
5.11
-4.5
-64.46
7
0.5
1.17
1.36
-2.5
-71.6
8
0.75
0.7
-3.01
-2
-86
9
1
0.5
-6.02
-1.5
-86
Vẽ đáp ứng tần số biên độ, pha và so sánh kết quả thu được với lệnh vẽ bode(G) trong Matlab.
Khảo sát đặc tính tần số của hệ thống bậc 2
Tạo file Simulink như hình sau:
Chạy mô phỏng, mở Scope để xem đáp ứng ngõ ra và tín hiệu ngõ vào
Dữ liệu mô phỏng cho đáp ứng tần số của vị trí động cơ DC
Lần chạy
Tần số (rad/s)
φ (độ)
1
0.01
600
55.56
171
-98
2
0.025
235
47.42
76
-108
3
0.05
113
41.06
42
-120
4
0.075
72
37.15
30
-129
5
0.1
40
32.04
24
-137
6
0.25
6
15.56
10
-143
7
0.5
2
6
6
-172
8
0.75
1
0
4
-172
9
1
0.5
-6
3
-172
Vẽ đáp ứng tần số biên độ, pha và so sánh kết quả thu được với lệnh vẽ bode(G) trong Matlab.
 Thí nghiệm:
 	Đáp ứng tần số của động cơ DC	
Lần chạy
Tần số(rad/s)
Ac/Ar
Ac/Ar(dB)
Δt(s)
Φ(degree)
1
0.4
68
36.65
-0.4
-9
2
0.6
62.5
36
-0.5
-17
3
0.8
61
35.7
-0.3
-13.75
4
1
60
35.6
-0.3
-17
5
2
56
35
-0.25
-28.64
6
4
49
34
-0.2
-46
7
6
36
31
-0.18
-62
8
8
36
31
-0.15
-69
9
10
27
29
-0.13
-75
10
20
27
29
-0.08
-90
Độ lợi DC là độ lợi ứng với ω=0 ( hay ở đây tạm coi ứng với ω=0.4).
Vậy độ lợi DC: K=36.65 dB
Thời hằng: dựa vào biểu đồ Bode, ta thấy tần số gãy là ω=4, vậy thời hằng .
Độ dốc biên độ bằng -21dB/dec, độ dốc pha bằng -54o/dec gần bằng với độ dốc lý thuyết là -20dB/dec và -45o/dec.
Dựa vào bảng số liệu, ta thấy tại ω=4, độ trễ pha là 45o, đây cũng chính là tần số gãy, và liên hệ với thời hằng như công thức ở trên.
Đáp ứng tần số của vị trí động cơ DC
Lần chạy
Tần số(rad/s)
Ac/Ar
Ac/Ar(dB)
Δt(s)
Φ(degree)
1
0.4
778
57.8
-4
-91
2
0.6
511.46
54.2
-3
-103
3
0.8
392
51.8
-2.3
-105
4
1
320
50.1
-2
-115
5
2
160
44
-1.1
-126
6
4
74
37.38
-0.6
-137
7
6
41
32.25
-0.4
-138
8
8
26
28.3
-0.3
-138
9
10
18
25.1
-0.25
-143
10
20
19
25.6
-0.15
-171
Độ lợi DC là độ lợi ứng với ω=0 ( hay ở đây tạm coi ứng với ω=0.4).
Vậy độ lợi DC: K=57.8 dB
Thời hằng: dựa vào biểu đồ Bode, ta thấy tần số gãy là ω=4, vậy thời hằng .
Độ dốc biên độ bằng -32dB/dec, độ dốc pha bằng -36o/dec gần bằng với độ dốc lý thuyết là -40dB/dec và -45o/dec.
 	Đáp ứng nấc tốc độ động cơ DC
Lần chạy
Điện áp động cơ
Tốc độ
K
τ
1
7.2
478
478
0.9
2
9.6
718
715
0.7
3
12
960
958
0.67
4
14.4
1180
1180
0.4
5
16.8
1408
1400
0.3
Giá trị trung bình
946
0.6
	Độ lợi DC của đáp ứng nấc K=59dB lớn hơn nhiều so với độ lợi DC của đáp ứng động cơ. Thời hằng của trường hợp này cũng lớn hơn. 
Bài 4:
Khảo sát bộ điều khiển PID số:
Mục đích:
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số bộ PID số lên chất lượng của hệ thống, ( độ vọt lố, thời gian quá độ, sai số xác lập) trong hai trường hợp điều khiển vận tốc và điều khiển vị trí động cơ DC. Ngoài ra thí nghiệm còn giúp khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu lên chất lượng của hệ thống.
Chuẩn bị:
Điều khiển tốc độ mô hình đông cơ DC
 	Tạo file mô phỏng như hình trên, trong đó bộ điều khiển PID số như ở hình thứ 2. Với K=4 và t=0.3
Cài đặt tốc độ đặt ( Step ) = 800, KP=1, KI=KD = 0, thời gian lấy mẫu T = 0.005s. Làm lại với các thông số: KP = 1, KI = 10, KD = 0.
Ta có kết quả mô phỏng:
Dựa vào kết quả mô phỏng ta thấy: 
Với KI=0, hệ thống không có vọt lố, thời gian xác lập 0.5s, sai số xác lập: 160
Với KI = 10, hệ thống có POT=20%, Thời gian xác lập 1s, hệ không có sai số xác lập.
Điều khiển vị trí mô hình động cơ DC 
Tạo File mô phỏng như hình trên, trong đó bộ điều khiển PID số có cấu trúc như phần trước.
Cài đặt vị trí đặt (Step) = 100, KP = 5, KI = 1, KD = 0, T = 0.005, sau đó thực hiện lại thí nghiệm với Kp=5, KI=1, KD=1.
Kết quả mô phỏng
Nhận xét , khi có bộ hiệu chỉnh Kd, độ vọt lố giảm , dao động ổn định , tín hiệu ổn định
Thí nghiệm:
Điều khiển tốc độ động cơ DC:
Khảo sát ảnh hưởng của tham số Kd:
Kd
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1
Thời gian xác lập (s)
0.34
0.215
0.23
0.25
0.26
0.27
Độ vọt lố(%)
0
3.4%
3.8%
3.59%
3.8%
2.5%
Sai số xác lập
0.38
0.2
0.163
0.056
0.03
0.12
	Khảo sát ảnh hưởng của tham số Ki:
KI
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1
Thời gian xác lập (s)
2.9
0.75
0.725
1
1.75
Không ổn định
Độ vọt lố(%)
0
0
8.6%
36%
54%
Sai số xác lập
0
0
0
0
0
	Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu T:
T
0.005
0.01
0.02
0.03
0.05
Thời gian xác lập (s)
0.75
0.79
0.78
0.8
0.8
Độ vọt lố(%)
7.5%
10%
12.1%
17.3%
28.3%
Sai số xác lập
0
0
0
0
0
	Nhận xét:
Trong bộ điều khiển PI cho động cơ DC, qua các số liệu thu được ở trên ta có thể thấy rằng:
KP tăng sẽ làm giảm sai số xác lập (tuy nhiên không thể làm cho tiến tới 0), tăng thời gian xác lập và vọt lố. Tuy nhiên KP quá cao sẽ làm hệ thống vọt lố lớn, có thể dẫn tới không ổn định.
KI tăng sẽ làm giảm thời gian xác lập, có khâu tích phân sẽ làm sai số xác lập bằng 0. Tuy nhiên KP quá cao sẽ làm hệ thống vọt lố lớn, tăng thời gian xác lập, có thể dẫn tới không ổn định.
Thời gian lấy mẫu T tăng sẽ làm tăng độ vọt lố của hệ thống, ảnh hưởng không nhiều lên thời gian xác lập.
Điều khiển vị trí động cơ DC: 
Khảo sát ảnh hưởng của tham số Kp:
Kp
0.005
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
Thời gian xác lập (s)
1.525
1.255
1.275
1.57
2.49
Độ vọt lố(%)
41%
40.7%
41%
41.5%
42.2%
Sai số xác lập
0
0.02
0
0
0
	Khảo sát ảnh hưởng của tham số Ki:
Ki
0.002
0.005
0.01
0.02
0.05
0.1
Thời gian xác lập (s)
1.29
1.27
1.34
1.96
4.615
Độ vọt lố(%)
40.4%
44.3%
50.5%
61.5%
92.6%
Sai số xác lập
0
0
0
0
0
	Khảo sát ảnh hưởng của tham số Kd:
Kd
0.0005
0.001
0.005
0.01
0.05
0.1
Thời gian xác lập (s)
1.3
1.05
2.89
3.66
Độ vọt lố(%)
51.7
42.3
18.6
23.3
Sai số xác lập
0
0
0
0
	Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu T:
T
0.005
0.01
0.03
0.05
0.1
Thời gian xác lập (s)
1.795
1.95
2.22
1.05
Độ vọt lố(%)
28.8
30.7
38.8
54.4
Sai số xác lập
0
0
0
0
	Nhận xét:
Trong bộ điều khiển PID số điều khiển vị trí động cơ, qua các số liệu thí nghiệm, ta thấy rằng:
KP tăng sẽ làm giảm sai số xác lập (tuy nhiên không thể làm cho tiến tới 0), tăng thời gian xác lập và vọt lố. Tuy nhiên KP quá cao sẽ làm hệ thống vọt lố lớn, có thể dẫn tới không ổn định.
KI tăng sẽ làm tăng thời gian xác lập giảm sai số xác lập, tăng vọt lố. KI quá cao sẽ làm hệ thống không ổn định.
KD tăng làm giảm nhanh vọt lố, nhưng tăng thời gian xác lập. nếu KD tương đối lớn có thể làm hệ thống không ổn định.
Thời gian xác lập T tăng làm tăng độ vọt lố sai số xác lập, tuy nhiên không ảnh hưởng nhiều tới thời gian xác lập.
BÀI 5:
QUẠT VÀ TẤM PHẲNG:
Mục đích:
Mô hình quạt và tấm phẳng chứa rất nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thống như thời hằng motor, thời gian trễ của luồng khí, cực cộng hưởng và đặc biệt là chịu sự ảnh hưởng của nhiễu động lớn. Ngoài ra, mô hình này là một mô hình phi tuyến, cho phép sinh viên có thể khảo sát ở nhiều điểm làm việc khác nhau.
Thí nghiệm và kết quả:
Khảo sát vật lý hệ thống
Trường hợp 1
Điện áp (V)
6
8
10
12
14
16
18
Tốc độ ( Ω )
548
740
926
1116
1300
1487
1670
Góc ( Ψ )
2.5
4.6
7.06
8.64
11.84
13.57
14.26
K1
91.3
92.5
92.6
93
92.9
92.9
92.8
k0
8.3*10-6
8.4*10-6
8.3*10-6
7*10-6
7*10-6
6.13*10-6
5.11*10-6
Trường hợp 2
Điện áp (V)
6
8
10
12
14
16
18
Tốc độ ( Ω )
548
737
925
1111
1294
1479
1657
Góc ( Ψ )
2.4
3.9
6.6
9.6
12.4
12.28
18.94
K1
91.3
92.1
92.5
92.6
92.4
92.4
92.1
k0
8*10-6
7.2*10-6
7.7*10-6
7.8*10-6
7.4*10-6
5.6*10-6
6.9*10-6
	Nhận xét: 
Khi quạt ở vị trí 2, cách xa tấm phẳng thì Ω nhỏ hơn, do đó K1 nhỏ hơn so với vị trí 1.
Đối với góc Ψ thì có sự tăng giảm không đều nhưng đa số trường hợp là k0 của trường hợp 1 lớn hơn so với trường hợp
Khảo sát các thông số tới hạn và thiết kế bộ điều khiển PID.
Trường hợp 1:
Kgh=0.53	; Tu=0.8
Thông số bộ điều khiển: Kp=0.6*Kgh=0.32 ; KI=0.4 ; KD=0.08
Đáp ứng tại Kgh:
Đáp ứng của hệ sau thiết kế
Đáp ứng của hệ sau thiết kế: thời gian đáp ứng: 12s
Trường hợp 2:
Kgh=0.537 ; Tu=0.85
Thông số điều khiển: Kp=0.6*Kgh=0.322; KI=0.4; KD=0.08
Đáp ứng tại Kgh
Đáp ứng của hệ sau khi thiết kế
Thời gian đáp ứng 14s
Khảo sát ảnh hưởng các thông số
Ảnh hưởng của KP
KP
Kp=KP0/2
KP=2KP0
POT
0
0
ts(s)
9
10
ess
-0.5
0.2
	Đáp ứng khi KP=KP0/2
Đáp ứng khi KP=2KP0
KP tăng làm giảm sai số xác lập của hệ thống, tuy nhiên làm tăng độ vọt lố và thời gian quá độ. 
Ảnh hưởng của KI
KI
KI=KI0
KI=KI0/2
KI=2KI0
POT
0
0
0
ts(s)
9,5
18,5
4,5
ess
-0.4
-0.5
0.1
Đáp ứng khi KI=2KI0
Đáp ứng khi KI=KI0/2
KI tăng làm giảm sai số xác lập của hệ thống và thời gian xác lập, tuy nhiên lại có thể làm tăng độ vọt lố.
Ảnh hưởng của KD
KD
KD=KD0
KD=KD0/2
KD=2KD0
POT
0
0
0
ts(s)
9,5
9
11
ess
-0.4
2.5
0.2
Đáp ứng khi KD=KD0/2
Đáp ứng khi KD=2KD0
KD làm giảm độ vọt lố của hệ thống, nhưng làm tăng thời gian xác lập. Nếu KD lớn dễ làm hệ thống trở nên bất ổn định.
Khảo sát kết quả điều khiển ở các góc đặt khác nhau
 θ
5o
10o
15o
POT
1%
1.2%
1%
ts(s)
10
10.8
11.5
ess
0.1
0.3
0.5
Nhận xét: 
Khi góc điều khiển nhỏ, kết quả điều khiển tốt hơn. Do giá trị góc đặt càng cao nên thời gian đáp ứng để đạt tới giá trị đó phải lớn hơn, kết hợp với quán tính của hệ thống nên gây ra vọt lố lớn hơn. Góc điều khiển càng lớn thì càng khó giữ ổn định nên sẽ có sai số xác lập lớn hơn.
Thí nghiệm 3
	Trường hợp 1:
ω(rad/s)
0.1
1
5
10
15
20
A/A0
0.825
0.86
0.8125
0.8125
0.82
L(dB)
-1.67
-1.31
-1.8
-1.8
-1.74
Δt
-0.5
-0.3
-0.18
-0.3
-0.24
Δφ(o)
-2.9
-17
-52
-171
-206
Tần số cộng hưởng: ω=1(rad/s)
Độ dự trữ pha: φM>180o
Độ dự trữ biên: GM=-1.9dB
Trường hợp 2
ω(rad/s)
0.1
1
5
10
15
20
A/A0
0.95
0.918
0.73
0.65
0.75
L(dB)
-0.45
-0.74
-2.7
-3.7
-2.5
Δt
-1
-0.5
-0.3
-0.3
-0.2
Δφ(o)
-5.7
-28.6
-86
-172
-172
Độ dự trữ biên: GM= - 3,7 dB
Độ dự trữ pha: φM>180o 
Hàm truyền: