1 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂNNHÓM I Thông tin chung Tên lớp Cơ điện tử 3 Khóa 14 Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm) Họ và tên thành viên trong nhóm 1 Đỗ Duy Thành 2019604980 II Nội dung học tập 1 Tên c.
PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ điện tử Khóa: 14 Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm): Họ tên thành viên nhóm: Đỗ Duy Thành - 2019604980 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Mơ hình hóa khảo sát chất lượng, thiết kế điều khiển hệ thống moment of inertia of the rotor (J) = 0.01 kg.m^2/s^2 * damping ratio of the mechanical system (b) = 0.1 Nms * electromotive force constant (K=Ke=Kt) = 0.01 Nm/Amp * electric resistance (R) = ohm * electric inductance (L) = 0.5 H * input (V): Source Voltage * output (theta): position of shaft * The rotor and shaft are assumed to be rigid Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Mơ hình hóa hệ thống, tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.1 - Nội dung 2: Khảo sát phụ thuộc đáp ứng hệ thống theo moomen quán tính rotor từ 0.01 đến kg.m^2/s^2 - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.1 - Nội dung 3: Thiết lập điều khiển PID khảo sát phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo tham số PID - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.2 Sản phẩm nghiên cứu : Bài thu hoạch chương trình mơ Matlab III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án theo thời gian quy định (Từ ngày / /2021 đến ngày / /2021) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước giảng viên sinh viên khác IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Sách Cơ sở hệ thống tự động, tài liệu Matlab Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA: CƠ KHÍ - BÁO CÁO TL, BTL, ĐA/DA THUỘC HỌC PHẦN : Cơ Sở Hệ Thống Tự Động Mơ hình hóa khảo sát chất lượng, thiết kế điều khiển hệ thống GVHD: Ts Bùi Thanh Lâm Sinh viên: Đỗ Duy Thành - 2019604980 Lớp: CĐT3 Khóa: K14 Hà Nội – Năm 2021 MỞ ĐẦU 1.1 Khái quát sở hệ thống tự động Cơ sở hệ thống tự động: nhánh liên ngành kỹ thuật toán học, liên quan đến hành vi hệ thống động lực Đầu mong muốn hệ thống gọi giá trị đặt trước Khi nhiều biến đầu hệ thống cần tuân theo giá trị đặt trước theo thời gian, điều khiển điều khiển đầu vào cho hệ thống để đạt hiệu mong muốn đầu hệ thống Lịch sử Bộ điều tốc ly tâm động Boulton Watt năm 1788 Mặc dù nhiều dạng hệ thống điều khiển có từ thời cổ đại, nghiên cứu thức lĩnh vực bắt đầu với phân tích động học hệ điều tốc li tâm, thực hiển nhà vật lý James Clerk Maxwell vào năm 1868 với tựa đề On Governors(hệ điều tốc) Tài liệu miêu tả phân tích tượng "dao động", trễ pha hệ thống dẫn đến trạng thái bù mức không ổn định Điều tạo hấp dẫn đề tài này, bạn học với Maxwell, Edward John Routh tổng quát hóa kết Maxwell cho lớp tổng quát hệ tuyến tính Một cách độc lập, Adolf Hurwitz phân tích ổn định hệ thống sử dụng phương trình vi phân vào năm 1877, kết ta có định lý Routh-Hurwitz Một ứng dụng đáng ý điều khiển động học lĩnh vực điều khiển máy bay Anh em nhà Wright lần thử nghiệm chuyến bay thành công vào ngày 17 tháng 12, năm 1903 đánh dấu khả điều khiển máy bay họ thời gian đáng kể (nhiều so với khả sinh lực nâng từ cánh máy bay, biết) Điều khiển máy bay cần thiết cho an toàn chuyến bay Vào Chiến tranh giới thứ II, lý thuyết điều khiển phần quan trọng hệ thống kiểm soát hỏa lực, hệ thống dẫn đường điện tử học Cuộc chạy đua không gian phụ thuộc vào xác việc điều khiển tàu khơng gian Tuy nhiên, lý thuyết điều khiển sử dụng lĩnh vực khác ngày nhiều kinh tế học 1.2 Cơ sở hệ thống tự động cổ điển đại a) Lý thuyết điều khiển cổ điển Để tránh vấn đề điều khiển vòng hở, lý thuyết điều khiển đề xuất khái niệm phản hồi Một điều khiển vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi để điều khiển trạng thái đầu hệ thống động lực Tên đến từ đường thơng tin hệ thống: q trình đầu vào (ví dụ Vôn dùng động điện) theo hiệu ứng chu trình đầu (ví dụ: tốc độ momen động cơ), đo với cảm biến xử lý điều khiển; kết (tín hiệu điều khiển) sử dụng làm đầu vào cho chu trình xử lý, đóng kín vịng lặp Các điều khiển vịng kín có ưu điểm so với điều khiển vòng hở là: Loại trừ nhiễu (như ma sát không đo động cơ) Đảm bảo thực với mơ hình khơng chắn, cấu trúc mơ hình khơng phù hợp hồn hảo với q trình thực thơng số mơ hình khơng xác Các chu trình khơng ổn định ổn định hóa Giảm độ nhạy cho thơng số biến đổi Kết theo dõi đặt trước cải thiện Trong vài hệ thống, điều khiển vịng kín điều khiển vòng hở sử dụng đồng thời Trong hệ thống vậy, điều khiển vòng hở nằm vòng tiến nhằm nâng cao kết theo dõi giá trị đặt trước Một cấu trúc điều khiển kín phổ biến điều khiển PID Hàm truyền vòng kín Đầu hệ thống y(t) hồi tiếp qua cảm biến đo lường F để so sánh với giá trị đặt trước r(t) Bộ điều khiển C lấy sai số e (độ chênh lệch) giá trị đặt tín hiệu đầu để thay đổi đầu vào u cho hệ thống điều khiển P Điều thể hình vẽ Loại điều khiển vịng kín hay cịn gọi điều khiển hồi tiếp Đây hệ điều khiển đầu vào, đầu ra(SISO); hệ thống MIMO (Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra), với nhiều đầu vào/đầu phổ biến Trong trường hợp biến biểu diễn qua vector thay giá trị vô hướng đơn giản Trong vài hệ thống tham số phân thán, vector có chiều vô hạn (các hàm đặc trưng) Nếu giả thiết điều khiển C, cấu P, cảm biến F tuyến tính bất biến theo thời gian (ví dụ: yêu tố hàm truyền C(s), P(s), F(s) chúng không phụ thuộc vào thời gian), hệ thống phân tích sử dụng phép biến đổi Laplace vào biến Điều đưa tới quan hệ sau: Giải Y(s) theo R(s) được: Biểu thức xem hàm truyền vịng kín hệ thống Tử số độ lợi phía (vịng hở) thu từ r đến y, mẫu số cộng với độ lợi xung quanh vòng hồi tiếp, gọi độ lợi vịng lặp Nếu , có nghĩa có tiêu chuẩn lớn với giá trị s, , Y(s) xấp xỉ R(s) Do cài đặt giá trị đặt trước để điều khiển đầu Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có lẽ thiết kế điều khiển hồi tiếp sử dụng nhiều PID từ viết tắt Proportional-Integral-Derivative (có nghĩa tỉ lệ-tích phân-vi phân), đề cập đến khâu hoạt động tín hiệu sai số để tạo tín hiệu điều khiển Nếu u(t) tín hiệu điều khiển gửi tới hệ thống, y(t) đầu đo r(t) đầu mong muốn, sai số theo dõi , điều khiển PID có dạng tổng quát sau: Đặc tính động học vịng kín mong muốn đạt cách điều chỉnh thông số , , thường lặp lặp lại cách "điều chỉnh" khơng cần có kiến thức cụ thể mơ hình Sự ổn định thường chắn cách sử dụng khâu tỉ lệ Khâu tích phân cho phép loại bỏ bậc nhiễu (thường đặc điểm đặc trưng điều khiển trình Khâu vi phân sử dụng để cung cấp giảm dần hình dạng đáp ứng Các điều khiển PID lớp thiết lập tốt hệ thống điều khiển: nhiên, chúng sử dụng nhiều trường hợp phức tạp hơn, đặc biệt hệ thống MIMO xem xét Việc ứng dụng kết biến đồi Laplace phương trình điều khiển PID biến đổi với hàm truyền điều khiển PID b) Lý thuyết điều khiển đại Trái ngược với phân tích miền tần số lý thuyết điều khiển cổ điển, lý thuyết điều khiển đại sử dụng mô tả không gian trạng thái miền thời gian, mô hình tốn học hệ thống vật lý cụm đầu vào, đầu biến trạng thái quan hệ với phương trình trạng thái bậc Để trừu tượng hóa từ số lượng đầu vào, đầu trạng thái, biến biểu thức vector phương trình vi phân, phương trình đại số viết dạng ma trận (những thứ sau thực hệ thống động lực tuyến tính) Biểu diễn khơng gian trạng thái(cịn gọi "xấp xỉ miền thời gian ") cung cấp cách thức ngắn gọn thuật tiện cho bắt chước phân tích hệ thống với nhiều đầu vào đâu Với đầu vào đầu ra, có cách viết khác cho phép biến đổi Laplace để mã hóa tồn thơng tin hệ thống Không giống xấp xỉ miền tần số, việc sử dụng biểu diễn không gian trạng thái không bị giới hạn với hệ thống thành phần tuyến tính điều kiện zero ban đầu "Không gian trạng thái" đề cập đếp không gian mà hệ trục biến trạng thái Trạng thái hệ thống biểu diễn vector khơng gian 1.3 Phân loại hệ thống -Hệ thống tuyến tính -Hệ thống điều khiển phi tuyến -Hệ thống phân tán 1.4 Những phương thức điều khiển Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trước hết độ ổn định trạng thái vịng kín Trong hệ thống tuyến tính, điều đạt cách thay trực tiếp cực Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng lý thuyết đặc biệt (thường dựa học thuyết Aleksandr Lyapunov) để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến trình động học bên hệ thống Khả đáp ứng biến đổi chức khác từ việc nhận dạng mơ hình việc chọn phương thức điều khiển Sau danh sách giản lược kỹ thuật điều khiển chính: -Điều khiển thích nghi -Điều khiển phân cấp -Điều khiển thông minh -Điều khiển tối ưu -Điều khiển bền vững -Điều khiển ngẫu nhiên Nội dung 1: Mô hình hóa hệ thống, tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.1 Phân tích hệ thống động điện chiều Động điện chiều có tham số sau: Mơ hình động điện chiều Các thơng số đề cho : - Mơ Men qn tính khối rôto: J = 0.01 kg.m2/s2 - Hệ số giảm chấn hệ thống cơ: b=0,1 Nms - Hằng số điện từ: K = Ke = Kt= 0,01Nm/Amp - Điện trở: R=1 ohm - Điện cảm: L=0,5 H - Tín hiệu vào điện áp: V - Tin hiệu góc quay: θ Mơ hình hóa hệ thống hàm truyền phương trình khơng gian trạng thái Áp dụng định luật II Niuton cho phần ta có phương trình: J.� + b.� = Ki (1) Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần điện ta có: �� Biến đổi Laplace: L �� + Ri = V - K � (2) s.(J.s +b) �(�) = K.I(s) (3) s.(J.s +b) �(�) (5) (L.s+R).I(s) = V - Ks �(�) (4) Từ phương trình (3) ta có: I(s) = � Thế (5) vào (4) biến đổi ta được: � = �.( �.�+� � � �.�+� +�2 ) (6) Vì hàm bậc suy giảm nhanh dạng hàm bậc nên ta coi hàm truyền hệ � � = � � = � �.�+� �.�+� +�2 (7) Xây dựng phương trình khơng gian trạng thái: Ta chọn tốc độ quay dòng điện biến trạng thái Điện áp đầu vào, đầu tốc độ quay Từ phương trình (1) (2) ta có: � � � � � � � �=- �+ I � � �� (8) = - � � - � i + � �� (9) Vậy ta có phương trình khơng gian trạng thái � �� − � = � − � � � �= � � − � � � � + 01 v � � (10) (11) Với tín hiệu vào Volt xác định đáp ứng hệ thống (tính ổn định, đáp ứng đầu ra, thời gian lên, thời gian độ, độ vọt lố, sai số xác lập) ? Sử dụng matlab: Tạo m-file gõ dòng lệnh J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; tuso=K; mauso=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; hamtruyen=tf(tuso,mauso) Lưu file với tên Ham_truyen_DC 10 Trong Command Window matlab ta gọi m-file vừa tạo Để vẽ đồ thị ta dùng lệnh step(ha mtruyen,0:0.1:3); 11 Để xác định thơng số ta kích chuột phải vào biểu đồ vào chọn characteristics: - Pear Response: Độ vọt lố - Settling time: Thời gian xác lập - Rise time: Thời gian lên - Steady State: Sai số xác lập Dựng vào đồ thị ta lấy thông số: - Độ vọt lố: 0% - Thời gian xác lập: 2,07 s - Thời gian lên: 1,14 s - Sai số xác lập: 0.0999 Kết luận từ mơ hình ta bổ sung, thiết kế điều khiển để đáp ứng hệ thống thỏa mãn u cầu tốn cơng nghệ Nội dung 2: Khảo sát phụ thuộc đáp ứng hệ thống theo moomen quán tính rotor từ 0.01 đến kg.m^2/s^2 - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.1 Code Matlab: J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; t=0:0.1:3; tuso=K; mauso=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; hamtruyen=tf(tuso,mauso) 12 step(hamtruyen,t, '