BÁO cáo CHUYÊN đề môn học điều KHIỂN số định nghĩa về hệ thống điều khiển số

ĐỢI HỌC ĐlẸn Lực ELECTRIC POWER UNIVERSITY BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ MÔN HỌC: ĐIỀU KHIÊN SỐ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGUYỄN TÙNG LINH SINH VIÊN THỰC HIỆN MSV LỚP D14TDH&ĐKTBCN3 Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN3 MỤC LỤC 4.3 Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN3 MỞ ĐÀU Công nghệ điều khiển số xuất vào kỷ 20, khoảng năm 1952, đầu năm 1960 chưa áp dụng sản xuất hàng loạt Sự bùng nổ thực tế dạng CNC năm 1972, thập kỷ với xuất máy tính Trong lĩnh vực sản xuất, đặc biệt gia công kim loại, công nghệ điều khiển số góp phần dẫn đến cơng cách mạng Ngay trước máy tính trở thành thiết bị thiếu công ty gia đình, máy cơng cụ trang bị hệ thống điều khiển số có vị trí đặc biệt xưởng khí Sự phát triển vi điện tử máy tính, gồm tác động chúng đôi với điều khiển số, đam đến thay đổi sản xuất nói chung ngành khí nói riêng Các chuyển ký tự số,rồi chữ kýcác hiệu mãđiều hóa liên quan đến vịkhác trí, khoảng cách, động hiểu bàn máy dụng cụ cắt chức mà máy cómáy thể Thời thơng kỳ qua ban đầu làcái hệ máy số, chương trình nạp vào (các rơle, băng bóng giấy đục lỗ thơng tin xử lýkhiển công nghẹ điện tử thời kỳ đầu đèn điện tử đến traritor) PHẦN I: CÂU HỎI LÝ THUYẾT Một số khái niệm điều khiển số Trình bày bổ sung ngắn gọn cấu trúc nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển số 1.1định nghĩa hệ thống điều khiển số: - Hệ thống điều khiển liên tục: hệ thống mà tất tín hiệu truyền hệ thống liên tục - Hệ thống điều khiển gián đoạn: hệ thống mà có khâu tín hiệu truyền gián đoạn - Hệ thống điều khiển số: hệ thống có khâu có tín hiệu truyền tín hiệu xung số 1.2cấu trúc hệ thống điều khiển số: Hệ thống điều khiển số bao gồm hệ thu nhập xử lý tí hiệu vi xử lý, vi điều khiển, hệ thống lớn có máy tính số Sơ đồ khối hệ điều khiển số Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển số 1.3Ưu điểm hệ thống điều khiển số: - Linh hoạt - Dễ dàng áp dụng thuật toán điều khiển phức tạp - Sử dụng máy tính để điều khiển nhiều đối tượng lúc 1.4Hạn chế điều khiển số: - Thời gian tác động chậm - Làm việc với đại lượng rời rạc - Khối lượng biến liệu lớn/ giải thuật phức tạp 1.5Phân loại hệ thống điều khiển số: - Hệ thống điều khiển đơn: hệ thống có nhiều đầu vào có đối tượng điều khiển - Hệ thống điều khiển đa kênh: có nhiều điều khiển đối tượng khơng liên quan đến - Hệ thống điều khiển nhiều chiều: có nhiều đối tượng điều khiển đối tượng có liên hệ với So sánh ưu/ nhược điểm hệ thống điều khiển số điều khiển tương tự 2.1Nhược điểm điều khiển tương tự ưu điểm điều khiển số: - Thông số linh kiện điện tử dễ bị trôi thay đổi, xuất điện áp lệch, trơi đầu điều khiển thuật tốn Việc khử tượng đòi hỏi phải xây dựng mạch bù tốn kém, phức tạp Trong kĩ thuật số có mức 0, đặc trưng cho trạng thái có điện khơng có điện chịu ảnh hưởng yếu tố - Các linh kiện tương tự thường nhạy với nhiều: thân yếu tố bên nhiệt độ mơi trường - Tuy nhiên kĩ thuật số có phương pháp chống nhiễu kỹ thuật tương tự người ta thường dùng kĩ thuật lọc số cho phép loại bỏ điều bất thường mà không ảnh hưởng đến giải thông mạch - Việc chuyền dẫn thực gặp khó khăn suy giảm tín hiệu nhiễu - Linh kiện kĩ thuật tương tự có tính chất khác tần số sản xuất hành loạt ổn định nguyền gây nhiễu - Việc thực số nhớ, trễ kĩ thuật tương tự gặp khó khăn, nhiên lại đơn giản với kỹ thuật số - Cuối tính phức tạp việc thực điều khiển kinh điện Chức tương tự thực mạch tổ hợp cần đến nhiều linh kiện rời việc hiệu chỉnh thông số thực mạch chúng tốn nhiều thời gian công sức, cần có nhiều tiếp điểm làm giảm độ tin cậy mạch tương tự Với mức độ phức tạp mà mạch tương tự trở nên bất hợp lý mạch số trở nên đơn giản 2.2Ưu điểm điều khiển tương tự nhược điểm điều khiển số: - Kỹ thuật điều khiển tương tự có ưu điểm bật mà có chuyển sang kĩ thuật số ta cần phải lưu ý thiết kế hệ thống điều khiển, đặc biệt hệ điều khiển truyển động điện a) Tác động nhanh: - Các tượng điện từ thang máy điện biến đổi thường xảy nhanh phá hủy toàn hệ thống xảy cố Kỹ thuật điều khiển tương tự tác động gần tức thời cấu số tác động có thời gian Trong điều khiển số, vấn đề thời gian tác động đặt theo góc độ khác tùy theo toán cụ thể - Đối với biến đổi chậm, ví dụ chỉnh lưu triritor làm việc với lưới 50Hz trường hợp điều khiển coi lý tưởng thực chức bảo vệ điều khiển thực hiệc vi sử lý có tính thông thường b) Tác động liên tục: - Các linh kiện tương tự có tác động nhanh liên tục linh kiện số làm việc với đại lượng rời rạc c) Đơn giản thiết kế hệ thống tương tự - Điều khiển tương tự mức độ phức tạp trở nên nặng nề Tuy nhiên, mức độ thích hợp cấu hợp lý điều khiển tương tự lại trở nên đơn giản phương diện cấu trúc điều khiển số 2.3Các ưu điểm có tính chất định điều khiển số: - Điều khiển máy điện chuyển sang lai hoàn toàn số đặc tính định linh kiện số Các linh kiện số cho phép thao tác phức tạp cách chắn -Ngày nay, 80% linh kiện thị trường linh kiện số - Các chương trình phần mềm cho phép tối ưu hóa điều khiển thay đổi tính mong muốn -Vì chức điều khiển thực phần mềm với thiết bị phần cứng sử dụng cho ứng dụng Điều dẫn đến giác cho tiết dự phịng, giảm giá thành PHÀN II: BÀI TẬP SƠ ĐÒ HỆ THỐNG Cho hệ thống điều khiển số có cấu trúc sau : G(s) đối tượng điều khiển có hàm truyền : G(s) = (s + ư)( s +1) H(s) khâu phản hồi có hàm truyền : Gc(z) điều chỉnh số : Biết Gc(z) điều khiển số PI có phương trình: T :chu kì lấy mẫu hệ thống H (s) = 7+2 a = 1.5 +0,05*( STT nhóm ) Gc(z) =Kp+ KI.T Z + • Z-1 Nhóm chúng em số 16 nên có hệ số a T : Nhóm 11 a T 2.05 0,26 Bảng 1: Hệ số a T Với Kp=1,4 ;Ki=5,6 thực hiện: Câu 1:Hãy xác định hàm truyền đạt hệ thống ,đánh giá tính ổn định hệ Câu 2: Xác định phương trình trạng thái hệ ,đánh giá tính điều khiển quan sát hệ Câu 3: Phân tích chất lượng hệ thống điều khiển : Tính độ vọt lố ,sai số xác lập ,thời gian độ CÂU I: Hãy xác định hàm truyền đạt hệ thống trên, đánh giá tính ổn định hệ A Hàm truyền đạt hệ thống Ta có: C (Z)_ Gc (z) G (z) R (Z) 1+ Gc( z) GH (z) Hàm truyền hệ thống Gk(z) = Trong : s(s-+aỊ(Ễ+b} 1Ẽ G(z) = (1-z- i.Z = (1-zĨ.Z s (s + 2.05)(s + 1) Cơng thức biến đổi Z: n _^ (Az + B;z z (0,026 z + 0,02) z = (1- ó.(z-e- " -”- )(z-e-°’ )(z-1) 26 ỉs 0,026 z +0,02 GH(z) = (1-z Ó.Z - G (s) H (s) s = (1-z- i.Z s (s + 2.05)(s + 1)(s + 2) z2 -1.358 z +0.45 = (1 -z-1 )Z - -7 -U Ị - J P’G+l)G+2)ư + 2.05)| £-1 0.244? 0.052? 10? 0.292? ? _—1 ?-0.771 £-0.595 £-0.587 5.6*] 0~3z2 -t-6*] 0~5" + 3.68*] 0~3 = ?3-1.953?2+1.26?-0.27 = KI.T Z + 5,6.0,26 z + ( Gc z) = Kp- — l-t = 1,4+^- ^-ĩ = 2.13z-0.67 z-1 Gc (z) G (z) Su y =1+Gc [Z) GH (z) Gk(z) Gc(z)*Gịz) _ 0.06z2+0.02z—0.01 z “ + Gc(z)*GH(z) ~ z-ì _ 2,3 6z2 +1.817-0.45 B Tính ổn định hệ thống Hệ điều khiển số có phương trình đặc tính : z3-2.36z- + 817-0.45 1 -2.36 1,81 -0,45 -0,45 1,81 -2.36 1 =0,79 -0 45 , 1 1,81 -0,45 -2.36 = -1.55 0,7 0,79 0,7 0,79 0,7 0,79 0,79 0,79 -1.55 0,79 0,7 -1.55 =0,17 = -0,14 -0,14 0,17 0,17 -0,u 0,17 -0,14 0,17 1 -2.36 1-0,45 1,81 =0,7 -1.55 1 -0,45 * =0,009 Do hệ số hàng lẻ cột bảng Jury dương nên hệ thống ổn định CÂU II: Xác định phương trình trạng thái hệ ,đánh giá tính điều khiển quan sát hệ Phương trình trạng thái hệ thống C(z) Ta có : Gc(z)= R(z )=- ■>.06. 0.0- i>.4'=> Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN3 C(z).( z3-2.36 z2+1.81 z -0.45 ó=óR(z).(0.06 z 2+ 0.02 z -0.01 ó Cz.z3- Cz 2.36 z2+Cz 81 z-Cz 0.45 = Rz.0.0 z2+ Rz 0.02 z-Rz 0.01 Lấy ngược z chuyển Cz -> Ck c.(k+3)-2.36c(k+2)+1,81c(k+1)-0,45ck= 0,06r(k+2)+0,02r(k+1)-0,01rk [x (K + ) = Ad.x (k )+Bd.r (k) =>phương trình trạng thái : ị c(k™Cd x(k) Trong : Ad= 0 -a3 ao a2 a0 B= p/3 3mà 01= 1.81 a1 ao 2.36 b0 „ 0,06 a0= b 1-a p _0,02-(-2.36) 0,06 ao 03 B= ; Cd=[ 0] = 0,16 b2-a p2-a2.p -0,01-(-2.36) 0,16-1,81.0,06 M = a = -= 26 , 0,06 0,16 0,26 Tính điều khiển hệ thống Xét M= [Ad.Bd Bd] 0 ^0,45 M= [Ad.Bd -1,81 0,06 Bd]ó 0,16 0,2 2.36 0,06 0,16 0,26 0,06 0,16 0,26 0,16 0,2 0,26 0,351 0,351 0,12 Ta thấy det M #0 => Rank(M)=3 Vậy hệ thống điều khiển hoàn toàn Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN3 A Tính quan sát hệ thống Xét N=[C’d A’d.C’d] 00 0,45 -1,81 01 2.36 0' 0 = 10 001 Det(N)=1 #0 => rank(N)= Vậy hệ thống quan sát hồn tồn Câu III: Phân tích chất lượng hệ thống điều khiển : Tính độ vọt lố ,sai số xác lập ,thời gian độ Gc (z) G (z) Ta có : Gk(z)= 1+ Gc (z) GH (z) 0.06Z24-0.02Z-0.01 zJ-2.36z2 Fl.81z-0.45 Xét phương trình đặc trưng hệ thống :- i).-|-7=0 Z 1=1 Z Có nghiệm 2=0.79 Z 3=0.57 lậ Nhận thấy phương trình đặc trưng hệ thống có nghiệm Z1=1 ^ Hệ p) nằm biên giới ổn định ( hệ chưa ổn định nên khơng có độ vọt lố sai số xác PHẦN III: Thiết kế điều khiển số Gc(z) Thiết kế điều chỉnh PI cho hệ thống kín có cặp cực phức với £ =0,805 0)11 2,1 rad/s Phương trình đặc trưng hệ thống sau hiệu chỉnh là: 1+ Gc(z).GH(z)=0 , zT, , KI.T Z + 1, zx _n 1+( Kp+ ^ 2• Z—1 ).() z5 (0,45 kp+0,063 ki+0,34)+ z4 (—1,85 kp—1,33 ki — 1,3)+z3 (2,96 kp + 0,022 ki+1,96) + z 2( — 2,3 kp+0,14 k +z(0,86kp-0,08ki-0,51) -0,12kp +0,168ki-0,07 =0 Cặp cực phức mong muốn Z12=r e±iọ r— e~T.£.an— e~ 0,26.0,805.2,1 622 Ọ _ T (')!!• 1? =0,26.2,1.71—0,805 =0,348 =>Z12=0,622e±i 0’348 =0,622 [cos(0,348)± jsin(0,348)] = 0,584 ± j0,212 Phương trình đặc trưng mong muốn : (z+ 0,584 + j0,212)( z+ 0,584 -j0,212)(z+a)(z+b)(z+c)=0 ^ z5 + z4 (1,168 + a+b + c)+ z3 (0,368 +1,168 c + 1,168 b + 1,168 a+bc +ac +ab) + z2 (0,368 a + 0,368 b +0,368 c ^ z5 (0,45 kp+0,063 ki+0,4)+z4 (—1,85 kp—1,33 ki — 1,3) + z3 (2,96 kp +0,022 ki+1,96)+z2( —2,3 kp+0,14 ki +z(0,86kp-0,08ki-0,51) -0,12kp +0,168ki-0,07 =0 ^ Ta có hệ phương trình (*) 0,45 kp + 0,063 ki+0,4 =1 — 1,85 kp — 1,33 ki —1,3=1,168 +a + b + c 2,96 kp + 0,022 ki+1,96=0,368 +1,168 c + 1,168 b +1,168 a + bc + ac + ab — 2,3 kp + 0,14 ki —1,4 = 0,368 a+0,368 b+0,368 c + 1,168 bc +1,168 ac + 1,168 ab +abc 0,86kp-0,08ki-0,51=0,368 bc+0,368 ac + 0,368 ab +1,168 abc -0,12kp +0,168ki-0,07=0,368 abc Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN Giải phương trình bậc ẩn (*) Ta : a=0,03 b =0,027 0,006 kp=1.87 c= ki=-4.5 ^ Bộ điều chỉnh PI có dạng : Kp+ KI.T Z + • Z-1 =1.87- 4.5.0,26 Z + • Z-1 Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN3 mi Ầ w T m /V ■ ■ /V i ■ Ấ J /V ■ Ầ Ầ T* ir J ■ ■ PHAN IV: Mô hệ thông phân mêm Matlab 4.3 Mô sơ đồ khơi ,khảo sát hệ thơng matlb-simulink Ta có : Kp = 1.87 Kị = -4.5 0.06z24 0.02Z-0.01 Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN3 z’1-2.36z2 bl.81z-0.45 Gc (z) G (z) Gk(z)= + Gc(z).GH (z) Hình 3.1 : sơ đồ hệ thống thiết kế Bảng nhập thông số: Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN3 -Thông số PI: Học phần: Điều khiển số Lớp:D14TDH&DKTBCN3 * Đồ thị ngõ : Nhận xét: Hệ thống không ổn định  ... khiển số Trình bày bổ sung ngắn gọn cấu trúc nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển số 1. 1định nghĩa hệ thống điều khiển số: - Hệ thống điều khiển liên tục: hệ thống mà tất tín hiệu truyền hệ thống. .. loại hệ thống điều khiển số: - Hệ thống điều khiển đơn: hệ thống có nhiều đầu vào có đối tượng điều khiển - Hệ thống điều khiển đa kênh: có nhiều điều khiển đối tượng khơng liên quan đến - Hệ thống. .. số: Hệ thống điều khiển số bao gồm hệ thu nhập xử lý tí hiệu vi xử lý, vi điều khiển, hệ thống lớn có máy tính số Sơ đồ khối hệ điều khiển số Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển số 1.3Ưu điểm hệ