Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Hệ thống điều khiển số

TRƯỜNG ĐHBK-HN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 
KHOA ĐIỆN – BM ĐKTĐ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 
1
NHIỆM VỤ THỰC HÀNH 
1 Mục đích 
 Giúp sinh viên làm quen với công cụ và môi trường mô phỏng Matlab/Simulink trong 
việc mô hình hóa, phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển số (tài liệu [1], viết tắt: ĐKS), qua 
đó nắm vững được các kiến thức cơ bản như: 
ƒ Các phương pháp gián đoạn hóa hệ thống đối tượng điều khiển (viết tắt: ĐTĐK) 
ƒ Phương pháp phân tích hệ thống ĐKS 
ƒ Thiết kế thử nghiệm thuật toán ĐKS 
2 Yêu cầu thực hành 
ƒ Sinh viên trước khi đến thực hành phải đọc và chuẩn bị trước theo tài liệu hướng 
dẫn thực hành để trình bày cho cán bộ hướng dẫn thực hành. Nếu không đạt sẽ 
không được vào thực hành. 
ƒ Khi vào thực hành tuyệt đối tuân thủ theo nội qui của phòng và sự hướng dẫn của 
cán bộ hướng dẫn. 
ƒ Sinh viên phải nộp báo cáo thực hành cho cán bộ hướng dẫn chậm nhất là một 
tuần kể từ khi kết thúc tất cả các bài thực hành. Báo cáo có thể viết bằng tay hoặc 
in máy, trình bày rõ ràng sạch sẽ, thể hiện được nội dung chính như theo tài liệu 
hướng dẫn yêu cầu. Bản photo sẽ không được chấp nhận. 
ƒ Chú ý: Cả 4 bài thực hành mô phỏng có nội dung liên quan chặt chẽ với nhau. 
Sinh viên có trách nhiệm lưu giữ các kết quả của bài trước nhằm phục vụ bài kế 
tiếp về sau. 
3 Mô tả các bài tập thực hành 
Bài tập thực hành được thực hiện dựa trên các kiến thức đã được học trên lớp áp dụng cho 
mục đích phát triển và thiết kế vòng điều chỉnh cho hệ thống điều khiển động cơ điện một 
chiều kích thích độc lập (viết tắt: ĐCMC). Theo [2], đối tượng điều khiển ĐCMC được mô tả 
bởi các phương trình dưới đây: 
• §iÖn ¸p phÇn øng: AA A A A A
diu e R i L
dt
= + + 
• Søc tõ ®éng c¶m øng: A ee k nψ= 
• Tèc ®é quay: ( )1
2 M T
dn m m
dt Jπ= − 
• M«men quay: M M Am k iψ= 
• H»ng sè ®éng c¬: 2e Mk kπ= 
• H»ng sè thêi gian phÇn øng: AA
A
LT
R
= 
Sơ đồ cấu trúc của ĐCMC được minh họa ở hình vẽ H.1 (tài liệu [2], hình 9.1). Động cơ 
có các tham số sau đây: 
TRƯỜNG ĐHBK-HN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 
KHOA ĐIỆN – BM ĐKTĐ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 
2
- Điện trở phần ứng: RA = 250mΩ - Mô men quán tính: J = 0,012kgm2 
- Điện cảm phần ứng: LA = 4mH - Hằng số động cơ: ke = 236,8, kM = 38,2 
- Từ thông danh định: ψR=0,04VS 
H. 1: Sơ đồ cấu trúc của ĐCMC kích thích độc lập 
Nội dung của 4 bài thực hành nhằm tạo cho sinh viên khả năng thiết kế hệ thống điều 
khiển ĐCMC theo cấu trúc Cascade như hình (tài liệu [2], hình 9.14) sau đây: 
H. 2: Sơ đồ hệ thống điều khiển ĐCMC theo cấu trúc Cascade 
Ngoài ra, sinh viên cần nắm vững phương pháp tìm mô hình gián đoạn trên không gian 
trạng thái để sau này có thể thiết kế hệ thống điều khiển ĐCMC trên không gian trạng thái 
(viết tắt: KGTT). 
4 Bài tập thực hành số 1 – Tìm mô hình gián đoạn của ĐCMC 
(1) Sử dụng phương pháp đã học (mục 1.3.2b, tài liệu [1]) để xác định hàm truyền đạt trên 
miền ảnh z thích hợp để thiết kế vòng trong cùng ĐK dòng phần ứng (tài liệu [2], hình 
9.10). Chu kỳ trích mẫu được chọn là TI = 0,1ms và 0,01ms. 
(2) Sử dụng lệnh c2d của MATLAB (tài liệu [2], mục 3.2.8) để tìm hàm truyền đạt trên 
miền ảnh z theo các phương pháp ZOH, FOH và Tustin. 
(3) Mô phỏng khảo sát, so sánh kết quả mô phỏng với 4 mô hình gián đoạn thu được ở câu 
(1) và (2). 
(4) Xây dựng mô hình trạng thái của ĐCMC trên miền thời gian liên tục. Sử dụng phương 
pháp đã học (mục 1.3.2c, tài liệu [1]) để gián đoạn hóa mô hình với giả thiết chu kỳ 
trích mẫu T=0,01s và T=0,1s. Mô phỏng khảo sát đáp ứng bước nhảy của 2 mô hình thu 
được. 
TRƯỜNG ĐHBK-HN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 
KHOA ĐIỆN – BM ĐKTĐ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 
3
5 Bài tập thực hành số 2 – Tổng hợp vòng điều chỉnh dòng phần 
ứng (điều khiển mômen quay) 
Giả thiết bỏ qua sức từ động cảm ứng eA, thực hiện thiết kế vòng điều chỉnh (viết tắt: ĐC) 
dòng cho ĐCMC với cấu trúc được mô tả như hình H. 3. 
H. 3: Vòng điều chỉnh dòng phần ứng của ĐCMC 
Vòng ĐC dòng phần ứng iA với độ chính xác cao và quán tính nhỏ, tạo khả năng áp đặt 
nhanh dòng phần ứng iA (và do đó áp đặt không trễ mômen quay mM) là điều kiện tiên quyết, 
bảo đảm chất lượng ĐK cho ĐCMC. Vì vậy, các phương pháp thiết kế bộ ĐK kiểu bù 
(Compensation Controller, còn gọi là: phương pháp cân bằng mô hình) hoặc kiểu Dead-Beat 
(Dead-Beat Controller) hay được sử dụng. 
Trong đó vòng ĐC, thiết bị chỉnh lưu được mô tả tương đương một khâu quán tính bậc 
nhất đứng liền sau khâu ĐC dòng trong hình H.3, với giả thiết có hằng số thời gian Tt=100μs. 
Mô hình đối tượng ĐK dòng đã được xây dựng ở bài tập thực hành số 1. 
(1) Hãy thiết kế bộ ĐC dòng theo phương pháp Dead-Beat với L(z-1) là một đa thức bậc 1 
hoặc 2. Mô phỏng khảo sát đặc điểm của vòng ĐC đã thiết kế. 
(2) Hãy thiết kế bộ ĐC dòng theo phương pháp cân bằng mô hình sao cho tốc độ đáp ứng 
của giá trị thực là 2 và 3 chu kỳ TI. Mô phỏng khảo sát đặc điểm của vòng ĐC đã thiết 
kế. 
(3) Phân tích so sánh các kết quả mô phỏng đã thu được ở câu (1) và (2). 
6 Bài tập thực hành số 3 - Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay 
(1) Trên cơ sở vòng ĐC dòng phần ứng đã thiết kế ở bài thực hành số 2, hãy vận dụng kiến 
thức của mục 1.3.2b để xác định hàm truyền đạt trên miền ảnh z của đối tượng, phục vụ 
thiết kế khâu ĐC tốc độ quay. 
(2) Sử dụng lệnh c2d của MATLAB (tài liệu [2], mục 3.2.8) để tìm hàm truyền đạt trên 
miền ảnh z theo phương pháp ZOH. Mô phỏng so sánh 2 mô hình thu được ở câu (1) và 
câu (2). 
(3) Tổng hợp (thiết kế) bộ điều chỉnh PI cho tốc độ động cơ theo 2 phương pháp: 
a. Theo tiêu chuẩn tích phân bình phương 
b. Theo phương pháp gán điểm cực 
(4) Mô phỏng khảo sát vòng ĐC tốc độ quay cho 2 trường hợp: 
a. Giá trị đặt của tốc độ quay thay đổi dưới dạng bước nhảy 
b. Phụ tải thay đổi đột biến dưới dạng bước nhảy 
TRƯỜNG ĐHBK-HN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 
KHOA ĐIỆN – BM ĐKTĐ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ 
4
7 Bài tập thực hành số 4 - Tổng hợp bộ ĐC tốc độ quay trên KGTT 
Mô hình của đối tượng ĐK đã được xây dựng tại câu (4) của bài tập thực hành số 1. 
(1) Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ quay theo 2 phương pháp: 
ƒ Phản hồi trạng thái sao cho đáp ứng có dạng PT1 (điểm cực nhận giá trị thực 
dương trên miền z) 
ƒ Đáp ứng hữu hạn (Dead-Beat: gán điểm cực tại gốc tọa độ trên miền ảnh z) 
(2) Mô phỏng khảo sát so sánh hai phương pháp ĐK 
8 Tài liệu tham khảo 
[1] Nguyễn Phùng Quang: Bài giảng (Script) “Điều khiển số” và các ví dụ minh họa. Phần 
A dành cho đại học, phiên bản tháng 11/2008 
[2] Nguyễn Phùng Quang: MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, 
chương 9. NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2006, tái bản lần thứ 4 
Tập thể biên soạn: 
TS. Lưu Hồng Việt 
PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang