Các bài thí nghiệm với Matlab

hay đổi giá trị độ lợi Gain. 
Khối Transfer Fcn (ở thư viện Simulink \ Continuous) là hàm truyền 
của hệ tuyến tính. Double click để thay đổi bậc và các hệ số của hàm 
truyền. Cài đặt các thông số: 
_ Numerator : các hệ số của đa thức tử số 
_ Denominator : các hệ số của đa thức mẫu số 
Khối Relay (ở thư viện Simulink \ Discontinuities) là bộ điều khiển 
rơle 2 vị trí có trễ (còn gọi là bộ điều khiển ON-OFF). Các thông số : 
_ Switch on point : nếu tín hiệu đầu vào lớn hơn giá trị này thì ngõ ra 
của khối Relay lên mức ‘on’ 
_ Switch off point : nếu tín hiệu đầu vào nhỏ hơn giá trị này thì ngõ 
ra của khối Relay xuống mức ‘off’ 
_ Output when on : giá trị của ngõ ra khi ở mức ‘on’ 
_ Output when off : giá trị của ngõ ra khi ở mức ‘off’ 
Nếu tín hiệu đầu vào nằm trong khoảng (Switch on point, Switch off 
point) thì giá trị ngõ ra giữ nguyên không đổi. 
Khối PID controller (ở thư viện Simulink Extras \ Additional 
Linear) là bộ điều khiển PID với hàm truyền ( ) 
KP : hệ số tỉ lệ (proportional term) 
KI: hệ số tích phân (integral term) 
KD: hệ số vi phân (derivative term) 
Khối Saturation (ở thư viện Simulink \ Discontinuities) là một khâu 
bão hòa. Các thông số cài đặt: 
_ Upper limit : giới hạn trên. Nếu giá trị đầu vào lớn hơn Upper limit 
thì ngõ ra luôn bằng giá trị Upper limit 
_ Lower limit : giới hạn dưới. Nếu giá trị đầu vào nhỏ hơn Lower 
limit thì ngõ ra luôn bằng giá trị Lower limit 
Khâu bão hoà dùng để thể hiện giới hạn biên độ của các tín hiệu 
trong thực tế như : áp ra cực đại của bộ điều khiển đặt vào đối tượng, 
áp nguồn… 
II.2. Các bước tiến hành để xây dựng một ứng dụng mới trong SIMULINK: 
 9
_ Sau khi khởi động Matlab, gõ lệnh simulink hoặc nhấn vào nút simulink trên thanh 
công cụ thì cửa sổ SIMULINK hiện ra (như ở hình vẽ Trang 1) 
_ Trong cửa sổ SIMULINK, vào menu File / New để mở cửa sổ cho một ứng dụng 
mới. 
Kích chuột vào các thư viện đã giới thiệu ở mục II.1 để chọn khối cần tìm. Kích chuột 
trái vào khối này, sau đó kéo và thả vào cửa sổ ứng dụng vừa mới tạo ra. Double click 
vào khối này để cài đặt và thay đổi các thông số. 
_ Có thể nhân số lượng các khối bằng cách dùng chức năng Copy và Paste. Kích chuột 
trái nối các ngõ vào / ra của các khối để hình thành sơ đồ hệ thống. 
_ Có thể dời một hoặc nhiều khối từ vị trí này đến vị trí khác bằng cách nhấp chuột để 
chọn các khối đó và kéo đến vị trí mới. Dùng phím Delete để xóa các phần không cần 
thiết hay bị sai khi chọn. 
_ Có thể viết chú thích trong cửa sổ ứng dụng bằng cách double click vào một vị trí 
trống và gõ câu chú thích vào. Vào menu Format / Font để thay đổi kiểu chữ. 
_ Như vậy, mô hình hệ thống đã xây dựng xong. Bây giờ tiến hành mô phỏng hệ thống 
bằng cách vào menu Simulation / Simulation Parameters để cài đặt các thông số mô 
phỏng. 
Cửa sổ Simulation Parameters hiện ra như sau: 
_ Start time : thời điểm bắt đầu mô phỏng. Mặc định chọn bằng 0. 
_ Stop time : thời điểm kết thúc mô phỏng. Giá trị này chọn theo đặc tính của hệ 
thống. Nếu hệ thống có thời hằng lớn thì giá trị Stop time cũng phải lớn để quan sát 
hết thời gian quá độ của hệ thống. 
_ Các thông số còn lại chọn mặc định như ở hình kế bên. 
_ Chạy mô phỏng bằng cách vào menu Simulation / Start. Khi thời gian mô phỏng 
bằng giá trị Stop time thì quá trình mô phỏng dừng lại. Trong quá trình mô phỏng, nếu 
ta muốn dừng nửa chừng thì vào menu Simulation / Stop. 
III. THÍ NGHIỆM: 
III.1. Khảo sát mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ: 
_ Mục đích: 
Đặc trưng của lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt. Từ khi bắt đầu cung cấp năng lượng 
đầu vào cho lò nhiệt, nhiệt độ của lò bắt đầu tăng lên từ từ. Để nhiệt độ lò đạt tới giá trị 
nhiệt độ cần nung thì thường phải mất một khoảng thời gian khá dài. Đây chính là đặc 
tính quán tính của lò nhiệt. Khi tuyến tính hoá mô hình lò nhiệt, ta xem hàm truyền của 
lò nhiệt như là một khâu quán tính bậc 2 hoặc như là một khâu quán tính bậc nhất nối 
tiếp với khâu trễ. 
Trong phần này, sinh viên sẽ khảo sát khâu quán tính bậc 2 cho trước. Dùng phương 
pháp Ziegler-Nichols nhận dạng hệ thống sau đó xây dựng lại hàm truyền. So sánh giá 
trị các thông số trong hàm truyền vừa tìm được với khâu quán tính bậc 2 cho trước này 
_ Thí nghiệm: 
Dùng SIMULINK xây dựng mô hình hệ thống lò nhiệt vòng hở như sau: 
Step : là tín hiệu hàm bậc thang thể hiện phần trăm công suất cung cấp cho lò 
nhiệt.Giá trị của hàm nấc từ 0÷1 tương ứng công suất cung cấp 0%÷100% 
Transfer Fcn – Transfer Fcn1 : mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa. 
 10
Nhãm K T1 T2
1 100 20 100 
2 200 30 300 
3 150 40 200 
4 300 20 150 
5 200 50 200 
a. Chỉnh giá trị của hàm step bằng 1 để công suất cung cấp cho lò là 100% (Step time 
=0, Initial time = 0, Final time = 1). Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 600s. Mô 
phỏng và vẽ quá trình quá độ của hệ thống trên. 
b. Trên hình vẽ ở câu trên,hãy x?p x? v? khâu quán tính b?c nh?t cĩ tr? b?ng cách vẽ 
tiếp tuyến tại điểm uốn để tính thông số L và T theo như hình v?. Chỉ rõ các giá trị này 
trên hình vẽ. So sánh giá trị L, T vừa tìm được với giá trị của mô hình lò nhiệt tuyến 
tính hóa. 
_ Hướng dẫn: 
Sau khi chạy xong mô phỏng, để xem quá trình quá độ của tín hiệu ta double click vào 
khối Scope. Cửa sổ Scope hiện ra như sau: 
Vì cửa sổ Scope chỉ có thể xem đáp ứng hoặc in trực tiếp ra máy in nhưng không lưu 
hình vẽ thành file *.bmp được nên ta phải chuyển Scope này sang cửa sổ Figure để 
lưu. Thực hiện điều này bằng cách nhấp chuột vào ô Parameters. Cửa sổ Parameters 
hiện ra, nhấp chuột vào trang Data history và tiến hành cài đặt các thông số như hình 
bên dưới: 
Tiến hành chạy mô phỏng lại để tín hiệu lưu vào biến ScopeData. Chú ý nếu sau khi 
khai báo mà không tiến hành chạy mô phỏng lại thì tín hiệu sẽ không lưu vào biến 
ScopeData mặc dù trên cửa sổ Scope vẫn có hình vẽ. 
Sau đó, vào cửa sổ Command Window nhập lệnh sau: 
>> plot(ScopeData.time, ScopeData.signals.values) %ve dap ung 
>> grid on %ke luoi 
Lúc này cửa sổ Figure hiện ra với hình vẽ giống như hình vẽ ở cửa sổ Scope. Vào 
menu Insert/ Line, Insert/ Text để tiến hành kẽ tiếp tuyến và chú thích cho hình vẽ. Kết 
quả cuối cùng như hình bên dưới : 
 11
Vào menu [File]/[Export] để lưu thành file *.bmp như ở Bài thí nghiệm 1. 
III.2. 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 bộ điều khiển PID . 
_ Thí nghiệm: 
Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ PID như sau: 
Trong dó 
_ Tín hiệu đặt đầu vào là hàm bậc thang u(t) = 100 ( tượng trưng nhiệt độ đặt 100 oC) 
_ Bộ điều khiển PID có các thông số cần tính toán. 
_ Transfer Fcn – Transport Delay : 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. 
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 ở phương pháp điều khiển PID 
_ Hướng dẫn: 
Cách tính các thông số KP, KI, KD của khâu PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 
như sau: 
 12
= + +
= = =
I
PID P D
P
P I D
K
W (s) K K s
s
Víi 
1.2T K
K ; K ; K 0.5
K.L 2L P
K L
Trong đó L, T, K là các giá trị đã tìm được ở phần III.1.a. 
IV. YÊU CẦU VIẾT BÁO CÁO 
Bài 1. - Xây dựng sơ đồ hệ thống trên SIMULINK 
- Xấp xỉ đối tượng về khâu quán tính bậc nhất theo phương pháp đồ thị 
- So sánh giữa mô hình cho trước và mô hình nhận dạng 
Bài 2. - Xây dựng sơ đồ hệ thống trên SIMULINK 
- Tính các thông số của bộ điều khiển theo ZieglerNichol và chỉnh định các thông 
số trên máy tính 
- Vẽ đường đặc tính quá trình quá độ 
- Nhận xét về quá trình quá độ thu được qua thực nghiệm 
 13
PHẦN 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG 
KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI 
BÀI THÍ NGHIỆM 4 
Cho đối tượng có hàm truyền: 
1 2 3
5W(s)
(Ts 1)(T s 1)(T s 1)
= + + + 
Với T1=STT ( STT là số thứ tự theo danh sách lớp); T2=100;T3=5 
a. Xác định phương trình trạng thái: 
.
x Ax+Bu
y = Cx+Du
= 
 A,B,C,D là các ma trận của phương trình trạng thái 
b. Kiểm tra tính điều khiển được và tính quan sát được của đối tượng 
c. Kiểm tra tính ổn định của đối tượng dựa trên hệ phương trình trạng thái 
d. Khảo sát các đặc tính trong miền thời gian và trong miền tần số của đối tượng 
e. Xây dựng sơ đồ cấu trúc trên SIMULINK 
f. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái sao cho hệ kín nhận các điểm s=-1; s=-2; 
và s=-n ( với n là số thứ tự theo danh sách lớp) làm các điểm cực 
g. Khảo sát đặc tính trong miền thời gian của hệ thống 
>>num=[K]; 
>>den=[a0 a1 a2 a3 ]; 
>>[A,B,C,D]=tf2ss(num,den) % Định nghĩa hàm truyền đạt w 
>>co=ctrb(A,B) % Tính ma trận điều khiển được 
>>ob=obsv(A,C) % Tính ma trận quan sát được 
>>step(A,B,C,D) % Vẽ hàm quá độ h(t) 
>>impulse(A,B,C,D) % Vẽ hàm trọng lượng w(t) 
>>nyquist(A,B,C,D) % Vẽ đặc tính tần biên pha của hệ thống 
 >>bode(A,B,C,D) % Vẽ đặc tính tần loga 
>>K=acker(A,B,[s1 s2 s3]) % Tìm ma trận phản hồi trạng thái theo ackerman 
IV. YÊU CẦU VIẾT BÁO CÁO 
- In ra các ma trận A,B,C,D 
- Tính ma trận điều khiển được và hạng của nó 
- Tính ma trận quan sát được và hạng của nó 
- Viết phương trình đặc tính 
- Vẽ đặc tính hàm quá độ và hàm trọng lượng của đối tượng 
- Vẽ các đặc tính BTL và biên độ tần số pha của đối tượng 
 - Xây dựng sơ đồ hệ thống trên SIMULINK 
- Tính ma trận điều khiển phản hồi trạng thái 
- Vẽ đặc tính hàm quá độ và hàm trọng lượng của hệ kín 
- Vẽ các đặc tính BTL và biên độ tần số pha của hệ hở 
Báo cáo phải nộp sau 1 tuần thí nghiệm . Ai làm không đầy đủ hoặc lấy đặc tính sai 
phải làm lại .Không nộp bài thí nghiệm không được dự thi môn học 
 14