báo cáo thí nghiệm lý thuyết điều khiển

lOMoARcPSD|9242611 TRNG ắI HịC BCH KHOA H NịI TRNG IịN IịN T BO CO TH NGHIịM Lí THUYắT IU KHIÂN – EE3286 Hß tên: Phạm Tiến Đạt MSSV: 20196847 Lßp - khóa: Cơ Khí Hàng Khơng – K64 Hà Nội, ngày…tháng…năm 2022 Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 BÀI XÂY DỰNG HÀM TRUYÀN TÞC ĐÞ CHO ĐÞNG CƠ I MỤC TIÊU Khi hồn thành xong thí nghiệm này, sinh viên cài đặt thí nghiệm QUBE-Servo xác định hàm truyền tốc độ động dựa đáp ứng bước nhảy II CƠ Sâ LÝ THUY¾T CHUNG VÀ CÂU HàI KIÂM TRA Cho khâu quán tính bậc nhất: Y (s) K = U (s)  s +1 Hình 1.1 Tín hiệu vào đối tượng Từ đồ thị ta xác định được: K= y u Xác định đầu y có giá trị sau từ đồ thị: y (t1 ) = 0.632y + y0 Từ có giá trị t1 số thời gian sau:  = t1 − t0 Câu hỏi ôn tập: Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 - Tại ta lại có hệ số 0.632 cơng thức tính trên? - Từ đâu ta có cơng thức tớnh ỵ nh trờn? Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 III THI¾T Bâ CẦN THI¾T Hình 1.2 Danh mục thiết bị bao gồm: (1) động QUBE – Servo tích hợp module truyền thơng QFLEX USB, (2) module đĩa tải nặng, (3) Module lắc, (4) Cáp USB 2.0 A/B, (5) Nguồn điện 24V, 2.71A, (6) Dây cáp điện, (7) Hướng dẫn sử dụng IV CÀI ĐẶT THI¾T Bâ Bước 1: Đặt module động (1) mặt phẳng cho module không bị cản trở chuyển động thí nghiệm Bước 2: Kết nối đĩa tải (2) với module động (1) Bước 3: Nối nguồn 24V (5) cáp USB (4) vào module (1) Đèn Power sáng xanh khơng có lỗi Bước 4: Chờ máy tính cài driver cho module Khi hồn thành, đèn USB sáng xanh Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 V TRèNH T TIắN HNH TH NGHIịM Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống Matlab/Simulink Mở mơ hình Simulink có máy tính Với khâu Step, chọn đặt điện áp 2V lên động servo Click đúp vào HIL Initialize block chọn thiết bị sử dụng Sau chọn nút Build Model công cụ Simulink Khi mô hình dịch xong thành code nhúng, chọn nút Connect to Target Cuối cùng, chọn nút Run để bắt đầu chạy mơ hình với thời gian thực Khi muốn kết thúc mơ hình, chọn nút Stop Simulink Vẽ đáp ứng tốc độ điện áp đặt lên động sử dụng MATLAB Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 Tìm hệ số khuếch đại tĩnh dựa đáp ứng bước nhảy y = 45.8868 u = » Hß sß khu¿ch đ¿i: K = y 45.8868 = 22.9434 = u Tìm số thời gian y (t1 ) = 0.632y + y0 = 0.632 45.8868 + = 29.000045 » Hằng sß thái gian: = 1.172 − = 0.172 Kiểm tra xem hệ số khuếch đại số thời gian có khơng? Điều chỉnh sơ đồ gồm khâu qn tính bậc hình 1.5 Nối đáp ứng đo đáp ứng mô vào Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 khối hiển thị thông qua khối dồn kênh Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống kiểm tra hàm truyền Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 Chỉnh định tham số mơ hình cho phù hợp giải thích  * = 0.181 10 Dừng điều khiển Quarc 11 Ngắt nguồn cấp cho Qube – Servo BÀI ĐIÀU KHIÂN Vâ TRÍ ĐÞNG CƠ SỬ DỤNG BÞ ĐIÀU KHIÂN Tà Lị V Bị IU KHIN Võ TR KắT HP TịC ĐÞ I MỤC TIÊU Khi hồn thành xong thí nghiệm này, sinh viên biết cách thiết kế điều khiển tỉ lệ điều khiển tỉ lệ kết hợp vận tốc (PV), tiến hành mô hệ thống điều khiển thực nghiệm kiểm chứng chất lượng hệ thống II CƠ Sâ LÝ THUY¾T CHUNG Hàm truyền vị trí sau: P( s ) =  m (s) Vm ( s) = K s( s + 1) Trong đó, K = 26.5rad / (V − s ) ,  = 0.155s ,  m ( s ) = l[ m (t )] vị trí rotor, Vm ( s ) = l[vm (t )] điện áp đặt lên động với điều kiện đầu vào ❖ Hệ thống điều khiển PID có sơ đồ khối hình sau: Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 Hình2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển sử dụng PI Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 ❖ Bộ điều khiển có dạng u (t ) = k p e(t ) + k I  t to e( )d + kd de(t ) , k p , k I = , kd hệ dt TI số tỉ lệ, tích phân, vi phân điều khiển Hệ thống điều khiển PV (tỉ lệ - vận tốc) có sơ đồ hình 2.2 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí sử dụng điều khiển PV Bộ điều khiển có dạng sau: u (t ) = k p ( r (t ) − y (t ) ) − kd dy (t ) , với k p , kd ó dt Với điều khiển này, hệ kín có dạng khâu dao động bậc III TRÌNH T TIắN HNH TH NGHIịM Xõy dng mụ hỡnh lý thuyết hàm truyền hệ kín điều khiển vị trí với điều khiển P điều khiển PV Xây dựng mơ hình SIMULINK với điều khiển P Hình 2.3 trả lời câu hỏi sau: Hình 2.3 Mơ hình Simulink/QUARC điều khiển vị trí QUBE-Servo sử dụng điều khiển tỉ lệ • Điện áp đưa vào QUBE-Servo giới hạn 10 V Xác định hệ số tỉ lệ k p max cho tín hiệu dạng xung vng biên độ 0.5rad cho khơng xuất hiện tượng bão hịa? 10 Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 ÷n2 Y (s) với ÷n tần số • Đưa mơ hình hệ kín dạng hệ bậc 2: = R( s) s + 2ø÷n s + ÷n2 động tự nhiên ø hệ số giảm tốc Có thể gán hai tham số ÷n ø cách chọn tham số k p hay khơng? Ta có thà gán tham sò ny ã Vi Signal Generator, chn tớn hiu dạng square wave với biên độ 0.5 rad tần số 0.4 Hz • Chạy mơ hình với k p = 1& k p = 1.5 Vẽ đáp ứng vị trí vận tốc đối tượng Kp = 11 Pham Tien Dat - 20196847 lOMoARcPSD|9242611 Kp = 1.5 • Với k p = 1.5 , từ đồ thị đáp ứng bước nhảy Hãy tìm độ điều chỉnh 100( ymax − R0 ) ÷ PO = ÷ thời gian đỉnh ( t p = tmax − t0 ) R ø ø Hình 2.4 Đáp ứng bước nhảy hệ dao động bậc hai t0 = 0, tmax = 0.728, ymax = 0.7087, R0 = 0.5 » Đß điÁu chánh: PO = 100( ymax − R0 ) 100(0.7087 − 0.5) = = 41.74 0.5 R0 » Thái gian đánh: t p = tmax − t0 = 0.728 − = 0.728 Xây dựng mơ hình SIMULINK sử dụng điều khiển tỉ lệ - vận tốc Hình 2.5 thực thí nghiệm theo trình tự sau: • Cài đặt phát tín hiệu (Signal Generator) để tạo xung vng có biên độ 0.5 rad tần số 0.4 Hz Chú ý khâu D mô hình thay bới khâu vi phân thực D( s ) = ÷f s (Khâu vi phân nối tiếp với lọc thơng thấp) s +÷f ÷n2 Từ tìm cơng thức liên hệ s + 2ø÷n s + ÷n2 hệ số tỉ lệ k p vi phân k d theo tần số dao động t nhiờn ữn v h s suy gim ứ ã Đưa mơ hình hệ kín dạng: G ( s) = mơ hình 12 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink/Matlab • Tìm tham số ýĂ ý�㕑 để thời gian đỉnh 0.15 giây độ điều chỉnh 2.5% (khi ta có tương ứng �㔔�㕛 = 32.3 ÿ�㕎�㕑 Ā �㕣à �㔁 = 0.76) • Chạy hệ thống QUBE-Servo với điều khiển PV sử dụng tham số điều khiển tìm Lưu đáp ứng vị trí điện áp động • Đo độ điều chỉnh thời gian đỉnh đáp ứng hệ thống QUBE-Servo Chúng có thỏa mãn thời gian đỉnh độ điều chỉnh yêu cầu mà không bị bão hịa tín hiệu điều khiển (nằm ngồi ±10 V)? Tại đáp ứng hệ thống QUBE-Servo có sai lệch tĩnh, đáp ứng mơ hình lại khơng? • Nếu đáp ứng thu không đáp ứng yêu cầu đặt ra, thử chỉnh tham số điều khiển thỏa mãn Lưu hình Matlab thu được, tín hiệu đo được, nhận xét cách chỉnh định điều khiển để thu kết 13 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Dừng điều khiển QUARC® Tắt nguồn hệ thống QUBE-Servo 14 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 BÀI ĐIÀU KHIÂN HÞ THÞNG CON LÀC NGƯỢC TRÊN KHƠNG GIAN TR¾NG THÁI I MỤC TIÊU Khi hồn thành xong thí nghiệm này, sinh viên xây dựng mơ hình trạng thái cho hệ thống, biết thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ thống, tiến hành điều khiển thực đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển II XY DNG Mễ HèNH TRắNG THI ịI TNG CON LÀC Xét mơ hình lắc cho Hình 3.1 bao gồm tựa nối trực tiếp với động QUBEServo (có thể điều khiển trực tiếp được) lắc nối với đầu cuối tựa Các tham số kí hiệu mơ hình đối tượng bao gồm: �㕟 ý�㕟 �㔃 ÿĂ ýĂ �㗼 ÿĂ �㕏�㕟 , �㕏Ă Độ dài tựa Momen quán tính tựa (quay theo trục �㕧0) Góc quay so với trục �㕥0 (chiều dương chiều ngược chiều kim đồng hồ (CCW)) Động quay Theo chiều CCW điện áp đặt �㕣ÿ > Chiều dài lắc Trọng tâm lắc nằm lc ỵ = /2 Moment quỏn tớnh ca lc Góc quay lắc hướng xuống đất Khối lượng lắc Hệ số giảm tốc tựa lắc Hình 3.1 Mơ hình lắc Mơ hình tốn đơn giản hóa hệ lắc cho hệ phương trình vi phân: 15 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 mr r Trong J r = momen quán tính tự trục quay (điểm nối với động cơ) m p Lp momen quán tính lắc trục quay (điểm nối với tựa) Hệ J p = số giảm tốc tựa lắc br & b p Momen lực tác dụng vào đế tự sinh động servo  = ( ) km vm − km Rm Tuyến tính hóa mơ hình quanh điểm làm việc ta thu phương trình vi phân tuyến tính mơ tả hệ lắc: Viết lại dạn mơ hình khơng gian trạng thái: Trong vector biến trạng thái, vector biến đầu ra, biến điều khiển cho x = ù (t ) a(t )  (t ) a(t ) ù =  x1 t x2 x3 x4  , y =  (t ) a(t )  =  x1 t t x2  , u =  Bộ t điều khiển phản hồi trạng thái có dạng: u = − Kx + w K ma trận có kích thước 4x1 w tín hiệu đặt bên ngồi Hệ kín với điều khiển cho có phương trình cho x = Ax − BKx + Bw = ( A − BK ) x + Bw h n nh h, ỵ cn c chn cho điểm cực ma trận ý − þþ nằm bên trái trục ảo Vị trí điểm cực định chất lượng điều khiển hệ Nếu hệ điều khiển hồn tồn, ta gán tùy ý vị trí điểm cực ý ỵỵ III TRèNH T TIắN HNH TH NGHIịM Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái cho Hình 3.2 16 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái Xỏc nh cỏc ma trn ý, ỵ, , ca mơ hình trạng thái đối tượng theo biến tham số Sử dụng tham số file rotpen_ABCD_eqns_ip.m qube2_rotpen_param.m xác định tính điều khiển đối tượng Thực thiết kế điều khiển gán điểm cực dựa yêu cầu sau: • Tìm điểm cực đối tượng Nhận xét vị trí điểm cực này, điểm cực ảnh hưởng đến hệ thống? >> eig(A) ans = -20.8442 13.8435 -4.0077 Nh¿n xét: + điểm cực thực nằm bên trái trục ảo làm cho đáp ứng độ hệ đơn điệu tiến tới giá trị đặt + điểm cực thực nằm bên phải trục ảo làm cho hệ thống không ổn định + điểm cực nằm trục ảo cho đáp ứng độ hệ thống dao động • Thiết kế điều khiển gán điểm cực làm ổn định đối tượng • Cài đặt phát tín hiệu có dạng xung vuông, biên độ tần số 0.125 Hz • • Đặt khối khuếch đại kết nối với phát tín hiệu Xây dựng chạy điều khiển QUARC@ Đưa lắc quanh vị trí cân (sai lệch khơng q 10ā) điều khiển làm việc 17 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Cánh tay K=0 Con lc ỵ = ã Khi lắc giữ cân bằng, cho khối khuếch đại 30 Lưu đồ thị đáp ứng vị trí, góc nghiêng điện áp 18 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Cánh tay – þ = 30 • Con lắc – þ = 30 Chn ma trn ỵ cho v trớ hai im cực trội Ă1 , Ă2 chọn ứng với tần số dao động tự nhiên �㔔Ā = 4, hệ số suy giảm �㔁 = 0.65, hai điểm cực lại gán Ă3 = −30, Ă4 = −45 s dng ma trn ỵ mi, vo Simulink model chßn 19 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Edit|Update Diagram Dưa vào tần số hệ số suy giảm cho, tính thời gian đỉnh độ điều chỉnh • • Vẽ đồ thị vị trí góc nghiêng kiểm tra lại tính tốn Cánh tay – K=0 Con lắc - K= 20 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Cánh tay - K=30 Con lắc - K=30 Dừng điều khiển QUARC@ ngắt nguồn hệ thống QUBE-Servo 21 Pham Tien Dat - 20196847 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 BÀI ĐIÀU KHIÂN HÞ THÞNG CON LÀC NGƯỢC DÙNG Bị IU KHIN T Lị - VắN TịC MC TIấU I Khi hồn thành xong thí nghiệm này, sinh viên biết thiết kế điều khiển tỉ lệ - vận tốc (PV) cho hệ thống lắc ngược, tiến hành điều khiển thực đánh giá chất lượng hệ thng iu khin C Sõ Lí THUYắT CHUNG II ã Bộ điều khiển tỉ lệ - vận tốc cho hệ thống lắc ngược có dạng sau: u = K ( xref − x) = k p , ( r −  ) − k p ,a a − kd , − kd ,a a • Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cho hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển PV III TRèNH T TIắN HNH TH NGHIịM Xõy dng b iu khiển hình 4.2 Hình 4.2 Sơ đồ SIMULINK hệ thống điều khiển tỉ lệ - vận tốc 22 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Mở mơ hình Simulink q_qube2_balance hình 4.2 Cài đặt hệ số điều khiển sau: k p , = −2, k p ,a = 30, kd , = −2, kd ,a = 2.5 Chạy điều khiển QUARC@ Đưa lắc đến vị trí cân phía điều khiển làm việc Lưu lại đáp ứng vị trí, góc nghiêng điện áp điều khiển Góc nghiêng cánh tay - 0◦ Điện áp - 0◦ Khi lắc giữ thăng bằng, mơ tả đáp ứng vị trí góc nghiêng 23 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Góc nghiêng Thay đổi khối số (được nối với đầu vào dương tổng điều khiển) Quan sát đáp ứng vị trí Khơng đặt giá trị lớn, giữ vị trí khoảng ±45◦ so với vị trí lúc đầu Góc nghiêng cánh tay - 25◦ 24 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) lOMoARcPSD|9242611 Điện áp - 25◦ Dừng điều khiển QUARC@ Tắt nguồn hệ thống QUBE-Servo 25 Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com) ... hỡnh lý thuyết hàm truyền hệ kín điều khiển vị trí với điều khiển P điều khiển PV Xây dựng mơ hình SIMULINK với điều khiển P Hình 2.3 trả lời câu hỏi sau: Hình 2.3 Mơ hình Simulink/QUARC điều khiển. .. xong thí nghiệm này, sinh viên biết cách thiết kế điều khiển tỉ lệ điều khiển tỉ lệ kết hợp vận tốc (PV), tiến hành mô hệ thống điều khiển thực nghiệm kiểm chứng chất lượng hệ thống II CƠ Sâ LÝ... Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí sử dụng điều khiển PV Bộ điều khiển có dạng sau: u (t ) = k p ( r (t ) − y (t ) ) − kd dy (t ) , với k p , kd ó dt Với điều khiển này, hệ kín có dạng