Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Điều khiển tự động

 
như sau: 
Trong đó: 
• Step : là tín hiệu hàm nấc thể hiện nhiệt độ đặt của lò. 
• Transfer Fcn – Transfer Fcn1 : mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa. 
• Khối Relay là bộ điều khiển ON – OFF. 
• Ngõ ra của Transfer Fcn1 là nhiệt độ thực của lò, được đưa vào Scope 
để quan sát. 
• Hệ có hồi tiếp âm đơn vị. 
• Khối Gain dùng để khuếch đại tín hiệu ngõ ra khối Relay để quan sát 
cho rõ. Lưu ý rằng giá trị này không làm thay đổi cấu trúc của hệ thống 
mà chỉ hỗ trợ việc quan sát tín hiệu. 
- Bước 2: Chỉnh giá trị của hàm nấc: Step time = 0, Initial value = 0, Final 
value = 100, giá trị khối Gain = 50. Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 
600s. Chỉnh thông số khối Relay theo bảng sau: 
Taøi lieäu höôùng daãn thí nghieäm Ñieàu khieån töï ñoäng 
Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện – Điện tử 25
Vùng trễ 
( Switch on /off point) 
Ngõ ra cao 
(Output when on) 
Ngõ ra thấp 
(Output when off) 
+1 / -1 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%) 
+5 / -5 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%) 
+10 / -10 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%) 
+20 / -20 1 (công suất 100%) 0 (công suất 0%) 
- Bước 3: Nhấn Run để mô phỏng quá trình. 
- Bước 4: Ứng với mỗi thông số của khối Relay, lưu lại hình vẽ và ghi nhận các 
giá trị trong bảng sau để viết báo cáo. Trên hình vẽ trong bài báo cáo chỉ rõ 2 
sai số +∆e1 / -∆e2 quanh giá trị đặt và chu kỳ đóng ngắt. 
Vùng trễ ∆e1 ∆e2 Chu kỳ đóng ngắt (s) 
+1 / -1 
+5 / -5 
+10 / -10 
+20 / -20 
- Bước 5: Dựa vào các kết quả mô phỏng trên, trả lời các câu hỏi sau. 
1) Nhận xét sự ảnh hưởng của vùng trễ đến sai số ngõ ra và chu kỳ đóng ngắt 
của khâu Relay. 
2) Để sai số của ngõ ra xấp xỉ bằng 0 thì ta thay đổi giá trị vùng trễ bằng bao 
nhiêu? Chạy mô phỏng minh họa. 
3) Chu kỳ đóng ngắt lúc này thay đổi như thế nào? Trong thực tế, ta thực hiện 
bộ điều khiển ON-OFF như vậy có được không? Tại sao? 
4) Vùng trễ lựa chọn bằng bao nhiêu là hợp lý. Hãy giải thích sự lựa chọn 
này. 
5.3 Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ PID (phương pháp Ziegler – 
Nichols). 
5.3.1 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 2 bộ điều khiển PID với bộ điều khiển ON-OFF. 
5.3.2 Trình tự thí nghiệm. 
- Bước 1: Dùng SIMULINK để xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ PID 
như sau: 
Taøi lieäu höôùng daãn thí nghieäm Ñieàu khieån töï ñoäng 
Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện – Điện tử 26
Trong đó: 
• Step : là tín hiệu hàm nấc thể hiện nhiệt độ đặt của lò. 
• Transfer Fcn – Transfer Fcn1 : mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa. 
• Khối PID là bộ điều khiển PID. 
• Khâu bảo hòa Saturation chỉ tín hiệu điều khiển 
• Ngõ ra của Transfer Fcn1 là nhiệt độ thực của lò, được đưa vào Scope 
để quan sát. 
• Hệ có hồi tiếp âm đơn vị. 
• Khối Gain dùng để khuếch đại tín hiệu ngõ ra khối Relay để quan sát 
cho rõ. Lưu ý rằng giá trị này không làm thay đổi cấu trúc của hệ thống 
mà chỉ hỗ trợ việc quan sát tín hiệu. 
- Bước 2: Chỉnh giá trị của hàm nấc: Step time = 0, Initial value = 0, Final value 
= 100, giá trị khối Gain = 50, khâu bảo hòa Saturation có giới hạn là upper 
limit = 1, lower limit = 0 tượng trưng ngõ ra bộ điều khiển có công suất cung 
cấp từ 0% đến 100%. 
- Bước 3: Tính toán giá trị 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 5.1. 
- Bước 4: Chạy mô phỏng. Có thể chỉnh lại Stop Time cho phù hợp. 
- Bước 5: Lưu lại đáp ứng để viết báo cáo. Trong hình vẽ phải chú thích rõ tên 
các tín hiệu. Xác định chất lượng của hệ thống. 
- Bước 6: Nhận xét về chất lượng ngõ ra ở 2 phương pháp điều khiển PID và 
ON-OFF. 
5.4 Mở rộng. 
- Lặp lại các bước 4.1, 4.2, 4.3 cho lò nhiệt có hàm truyền như sau: 
)5s)(1s(
10)s(G ++= 
- Lưu ý: Độ lợi Gain trong các khối Gain cho bằng 1. 
Taøi lieäu höôùng daãn thí nghieäm Ñieàu khieån töï ñoäng 
Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện – Điện tử 27
BÀI THÍ NGHIỆM 4 
ỨNG DỤNG SIMULINK ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 
1. CHUẨN BỊ. 
Sinh viên phải chuẩn bị các kiến thức sau trước khi bước vào thí nghiệm. 
- Tìm hiểu sơ lược Matlab và Simulink. 
- Mô tả toán học hệ thống điều khiển tự động, đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển 
tự động. 
- Mô hình hóa đối tượng và xác định thông số bộ điều khiển PID theo phương pháp 
thứ nhất của Ziegler – Nichols. 
- Phương pháp điều khiển on – off. Ưu khuyết điểm của điều khiển on – off so với điều 
khiển sớm trễ pha hay PID. 
- Phương pháp điều khiển PID. Ưu khuyết điểm của điều khiển PID. Cách hiệu chỉnh 
thông số PID dựa vào đáp ứng quá độ đối với tín hiệu vào hàm nấc đơn vị. 
2. THÍ NGHIỆM. 
2.1 Khảo sát hệ vòng kín, nhận dạng hệ thống theo mô hình Ziegler – Nichols. 
2.1.1 Mục đích. 
Đối với các hệ có khâu tích phân lý tưởng như động cơ, đáp ứng quá độ (hệ hở) 
không ổn định. Đối với các đối tượng này, thông số bộ điều khiển xác định theo 
phương pháp thứ hai của Zeigler – Nichols. Bài thí nghiệm này giới thiệu phương 
pháp thứ hai của Zeigler – Nichols. 
2.2.2 Trình tự thí nghiệm. 
• Bước 1. Dùng SIMULINK để xây dựng mô hình điều khiển vòng kín vị trí động 
cơ DC như sau. 
• Trong đó 
o Step: là tín hiệu hàm nấc đơn vị. 
o Transfer Fcn – Transfer Fcn1 – Transfer Fcn 2: mô hình động cơ tuyến 
tính hóa. 
o Ngõ ra của Transfer Fcn2 là vị trí được đưa vào Scope để quan sát. 
• Bước 2. Chỉnh giá trị của hàm nấc: Step time = 0, Initial value = 0, Final value = 
1. Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 50s. 
Taøi lieäu höôùng daãn thí nghieäm Ñieàu khieån töï ñoäng 
Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện – Điện tử 28
• Bước 3: Nhấp chuột vào ô Parameters, vào trang Data History, bỏ Limit data 
points to last. 
• Bước 4: Thay đổi hệ số Gain trong khối Gain. Lặp đi lặp lại cho đến khi đáp ứng 
có dao động đều không tắt dần (ở biên giới ổn định). 
• Bước 4: Nhấn Run để mô phỏng quá trình. 
• Bước 5: Double click vào khối Scope. 
• Bước 6: Dựa vào hình vẽ, xác định Kgh và Tgh: Kgh = 66.8, Tgh = 0.8. 
2.2 Khảo sát mô hình điều khiển động cơ PID (phương pháp Ziegler –Nichols). 
 2.2.1 Mục đích. 
Trong phần này, sinh viên sẽ xây dựng mô hình điều khiển vị trí động cơ DC 
dùng bộ điều khiển PID. Khảo sát ảnh hưởng của bộ điều khiển PID đến đáp 
ứng ngõ ra với tín hiệu đầu vào là hàm dốc. 
 2.2.2 Trình tự thí nghiệm. 
• Bước 1: Dùng SIMULINK để xây dựng mô hình vòng kín điều khiển vị trí động 
cơ DC như sau: 
• Bước 2: Xác định thông số PID theo Zeigler – Nichols (Kp = 40, Ti = 0.4, Td = 
0.1, Kd = 4, Ki = 100) 
• Bước 3: Nhập thông số PID theo bước 8, khối Repeating Sequence có các thông 
số Time values: [0 2.5 5 7.5 10]; Output values: [0 5 0 -5 0]. 
• Bước 4: Nhấn Run để mô phỏng quá trình. 
• Bước 5: Lưu hình vẽ để viết báo cáo. Trên hình vẽ ghi rõ chú thích. Xác định chất 
lượng của hệ thống. 
 2.3 Khảo sát ảnh hưởng các hệ số Kp, Ki, Kd lên chất lương của hệ thống. 
 2.3.1 Mục đích. 
Trong phần này sinh viên sẽ khảo sát ảnh hưởng của các hệ số Kp, Ki, Kd 
trong bộ điều khiển PID đến chất lượng của hệ thống điều khiển từ đó rút ra 
kinh nghiệm hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển PID và so sánh với kết quả lý 
thuyết. 
Taøi lieäu höôùng daãn thí nghieäm Ñieàu khieån töï ñoäng 
Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện – Điện tử 29
 2.3.2 Trình tự thí nghiệm. 
• Bước 1: Dùng SIMULINK để xây dựng mô hình điều khiển vị trí động cơ như 
sau: 
a. Chỉnh thời gian mô phỏng Stop time = 10s. Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều 
khiển P (KI = 0, KD = 0) và tính độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra 
theo bảng sau: 
KP 1 10 20 50 100 
POT 
Exl 
txl 
b. Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PI (KP = 2, KD = 0) và tính độ vọt lố, 
sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau: 
KI 0.1 0.5 0.8 1 2 
POT 
Exl 
txl 
c. Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PID (KP = 2, KI = 2) và tính độ vọt lố, 
sai số xác lập, thời gian xác lập của ngõ ra theo bảng sau: 
KD 0.1 0.2 0.5 1 2
POT 
Exl 
txl 
• Bước 2: Chạy mô phỏng với các thông số đã cho ở trên. 
Taøi lieäu höôùng daãn thí nghieäm Ñieàu khieån töï ñoäng 
Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện – Điện tử 30
• Bước 3: Lưu kết quả để viết báo cáo. Trên hình vẽ ghi rõ chú thích. Xác định chất 
lượng của hệ thống cho từng trường hợp. 
• Bước 4: Nhận xét về sự ảnh hưởng của Kp, Ki, Kd. So sánh với kết quả lý thuyết. 
 2.4 Hệ thống điều khiển dùng hai hiệu chỉnh PID vị trí và tốc độ. 
 2.4.1 Mục đích. 
• Về nguyên tắc, ta không cần phản hồi tốc độ khi điều khiển vị trí. Tuy nhiên, có 
thể hình dung là khi sai lệch vị trí lớn sẽ dẫn đến điện áp đặt vào động cơ lớn làm 
tăng tốc độ quay. Điều này có thể không tốt đối với một số loại tải. Muốn kiểm 
soát cả đặc tính tốc độ của hệ thống, nguời ta dùng hai vòng điều khiển tốc độ và 
vị trí với hai bộ hiệu chỉnh độc lập. Phương pháp này còn gọi là điều khiển nhiều 
vòng hay điều khiển tọa độ. 
• Phương pháp hiệu chỉnh là thực hiện lần lượt tính toán vòng tốc độ rồi vị trí. Ở 
vòng tốc độ chọn kết quả hiệu chỉnh là không hay ít vọt lố. Các bộ hiệu chỉnh 
không nhất thiết là đầy đủ PID, ở đây chọn PI. Cũng có thể hình dung tác dụng 
của phản hồi tốc độ là cải thiện đặc tính quá độ khi để ý tốc độ là đạo hàm vị trí. 
 2.4.2 Trình tự thí nghiệm. 
• Bước 1: Dùng SIMULINK để xây dựng mô hình điều khiển vị trí động cơ như 
sau: 
• Bước 2: Khai báo thông số hai bộ điều khiển PID như sau: Ki1 = 27.5 ; Kp1 = 
9.81, Ki2 = 6.25 ; Kp2 = 2.91. 
• Bước 3: Chạy mô phỏng. 
• Bước 4: Lưu kết quả để viết báo cáo. Trên hình vẽ ghi rõ chú thích. Xác định chất 
lượng của hệ thống. 
• Bước 5: Xây dựng lại mô hình Simulink có một vòng điều khiển vị trí như 2.2 
với thông số bộ điều khiển PID Ki1 = 27.5 ; Kp1 = 9.81. 
• Bước 6: Chạy mô phỏng. Lưu kết quả để viết báo cáo. Trên hình vẽ ghi rõ chú 
thích. Xác định chất lượng của hệ thống. 
• Bước 7: So sánh chất lượng hai cách điều khiển nói trên. Kết luận.