Mô hình hóa và khảo sát chất lượng, và thiết kế bộ điều khiển của hệ thống sử dụng bộ đk PI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN CƠ SỞ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG, VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG GVHD Bùi Thanh Lâm Sinh viên..Mô hình hóa và khảo sát chất lượng, và thiết kế bộ điều khiển của hệ thống sử dụng bộ đk PI môn cơ sở hệ thống tự động (lí thuyết điều khiển tự động) có code đầy đủ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN CƠ SỞ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG, VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG GVHD: Bùi Thanh Lâm Sinh viên: Nguyễn Thế Anh Lớp: Cơ điện tử Mã sinh viên: 2020601481 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp:CĐT 1………… Khóa:…15…………………………………………… Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm): Nhóm 2………… Họ tên thành viên nhóm: Nguyễn Thế Anh……………………………… II Nội dung học tập Tên chủ đề : Mơ hình hóa khảo sát chất lượng, thiết kế điều khiển hệ thống Mơmen qn tính Rotor(J) = 0.01 kg.m^2/s^2 * Hệ số ma sát động (b) = 0.1 Nms * Hệ số sức điện động(K=Ke=Kt) = 0.01 Nm/Amp * Điện trở(R) = ohm * Điện cảm(L) = 0.5 H * Đầu vào (V): Điện áp nguồn * Đầu (θ): Vị trí trục * Rotor trục mặc định cứng 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 - Nội dung 2: Khảo sát phụ thuộc đáp ứng hệ thống theo điện trở động R thay đổi từ đén 100 ohm - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2 - Nội dung 3: Thiết lập điều khiển PI khảo sát phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo tham số PI - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L3 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 …/…/2020 đến ngày …/…/2020) 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 TS Nguyễn Anh Tú GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Bùi Thanh Lâm MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU I NỘI DUNG 1: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG, TÌM ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG THEO THỜI GIAN 1.1 Mơ hình hóa hệ thống hàm truyền phương trình khơng gian trạng thái 1.2 Tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian II NỘI DUNG : KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG THEO ĐIỆN TRỞ ĐỘNG CƠ R THAY ĐỔI TỪ ĐẾN 100 OHM 12 III NỘI DUNG 3: THIẾT LẬP BỘ ĐIỀU KHIỂN PI KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ THEO CÁC THAM SỐ PI 14 3.1 Cơ sở lí thuyết 14 3.2 Thiết kế hệ thống động DC mablab simulink 15 3.3 Thiết kế điều khiển PI cho vị trí động DC 20 3.4 Khảo sát phụ thuộc hệ số khuếch đại Kp đến chất lượng điều khiển hệ thống 21 3.5 Khảo sát phụ thuộc hệ số tích phân Kp đến chất lượng điều khiển hệ thống 24 IV PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ BÀI HỌC KINH NGHIỆM 27 LỜI MỞ ĐẦU Giới thiệu chủ đề Ngày nay, ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi, văn minh đại hơn, phát triển kỹ thuật tự động hóa tạo thiết bị với đặc điểm bật xác, tốc độ nhanh, gọn nhẹ,… yếu tố cần thiết cho tiện lợi sống Ý tưởng đề tài xuất phát từ tốn thực tế: thiết bị kiểm sốt vị trí, góc quay trục động DC Với giá trị điện áp đầu vào cấp cho động mà hệ thống điều khiển làm thay đổi góc quay trục động Đồng thời người dùng thiết lập giá trị ngưỡng theo yêu cầu riêng I NỘI DUNG 1: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG, TÌM ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG THEO THỜI GIAN Phân tích mơ hình hệ thống động điện chiều DC Xét động điện chiều có tham số sau: Các thơng số: Mơ Men qn tính khối rơto: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 Tín hiệu vị trí trục: θ Rotor trục mặc định cứng 1.1 Mô hình hóa hệ thống hàm truyền phương trình không gian trạng thái Sơ đồ phần động Mômen tạo động điện tỷ lệ với dòng điện phần ứng cường độ từ trường Giả sử từ trường khơng đổi đó, mơmen động tỷ lệ với dịng điện phần ứng i theo hệ số không đổi Kt phương trình đây: T = Kti =Ki Áp dụng đinh luật Niuton cho chuyển động quay trục động ta có phương trình: J.𝜃̈ + b.𝜃̇ =Ki (1) Sơ đồ phần mạch điện Suất điện động (Emf) sau, e, tỷ lệ với vận tốc góc trục theo hệ số không đổi Ke e = Ke𝜃̇ = K𝜃̇ Với Ke =K hệ số sức điện động không đổi Áp dụng định luật Kirchhoff cho phần mạch điện, điện áp đầu vào là: Ri(t) + L 𝑑𝑖 𝑑𝑡 = V- K.𝜃̇ (2) Biến đổi Laplace (1) (2), ta được: KI(s) = Js2.θ(s) +bs.θ(s) RI(s) +Ls.I(s) =V(s) –K.s.θ(s) Hay: s.(J.s +b) θ(s) = K.I(s) (3) (L.s+R).I(s) = V(s) – K.s.θ(s) (4) Từ phương trình (3) ta có: I(s) = 𝑠.(𝐽.𝑠 +𝑏).𝜃(𝑠) 𝐾 (5) Thế (5) vào (4) biến đổi ta được: 𝜃(𝑠) 𝑉(𝑠) = 𝐾 𝑠.((𝐽𝑠+𝑏).(𝐿𝑠+𝑅)+𝐾 ) Vậy phương trình hàm truyền là: G(s) = 𝜃(𝑠) 𝑉(𝑠) = 𝐾 𝑠.((𝐽𝑠+𝑏).(𝐿𝑠+𝑅)+𝐾 ) 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: 𝑏 𝐾 𝜃̈ = - 𝜃̇ + i 𝐽 𝑑𝑖 𝑑𝑡 𝐽 𝐾 𝑅 𝑉 = - 𝜃̇- i + 𝐿 𝐿 𝐿 Vậy ta có phương trình khơng gian trạng thái : 𝑏 𝑑 𝜃̇ 𝐽 [ ]= 𝐾 𝑑𝑡 𝑖 − [ 𝐿 − 𝐾 ̇ 𝐽 𝜃 [ ] + [ 1] 𝑣 𝑅 𝑖 𝐿 − ] 𝐿 ̇ 𝜃̇= [1 0] [𝜃 ] 𝑖 1.2 Tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian Yêu cầu tốn đặt là: 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) ? Chúng ta biểu diễn hàm truyền vịng hở động MATLAB cách xác định tham số hàm truyền sau 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) 0]; motor=tf(tuso,mauso) Lưu file với tên Ham_truyen_DC Trong Command Window matlab ta gọi m-file vừa tạo được: Bây ta xem hệ thống vòng lặp mở ban đầu hoạt động Thêm lệnh sau vào cuối m-file chạy cửa sổ lệnh MATLAB: step(motor,0:0.01:1); title('Dap ung he thong'); Khi ta file Figure hiển thị đồ thị : Dựa vào đồ thị ta lấy thông số: Độ vọt lố Thời gian xác lập Thời gian lên Sai số xác lập ( Overshoot ) ( Settling time ) ( Rise time ) ( Steady State ) 0%    Đối với lệnh bước đơn vị (step) vị trí động cơ, đầu hệ thống điều khiển phải đáp ứng yêu cầu sau : III NỘI DUNG 3: THIẾT LẬP BỘ ĐIỀU KHIỂN PI KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ THEO CÁC THAM SỐ PI 3.1 Cơ sở lí thuyết Khâu hiệu chỉnh PI ( hay khâu tích phân tỉ lệ PI) trường hợp riêng khâu hiệu chỉnh trễ pha nên có số đặc điểm khâu hiệu chỉnh trễ pha: − Tín hiệu ln trễ tín hiệu vào − Lọc thơng thấp − Thu hẹp băng thông hệ thống − Hệ số khuếch đại miền tần số cao giảm − Cải thiện đáp ứng độ (giảm sai số xác lập) Khâu hiệu chỉnh PI làm chậm đáp ứng độ, tăng độ vọt lố, triệt tiêu sai số xác lập hệ thống Hàm truyền khâu PI viết dạng 𝐺𝑐 (𝑠) = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑖 𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝑖 = 𝑠 𝑠 Với: Kp hệ số khuếch đại Ki hệ số tích phân Độ lợi Thời gian lên Độ vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập Kp Giảm Tăng Thay đổi Giảm Ki Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu 3.2 Thiết kế hệ thống động DC mablab simulink Hệ thống mơ hình hóa cách tổng hợp mơ-men xoắn tác dụng lên qn tính rơto tích phân gia tốc để đưa vận tốc, tích phân vận tốc để có vị trí Ngồi ra, định luật Kirchoff áp dụng cho mạch phần ứng Mở Simulink mở cửa sổ mơ hình Đầu tiên, lập mơ hình tích phân gia tốc quay tốc độ thay đổi dịng điện phần ứng  Chèn khối Tích phân (từ thư viện khối Tuyến tính) vẽ đường đến từ thiết bị đầu cuối đầu vào đầu  Gắn nhãn dịng đầu vào " thetotdot " dòng đầu " thetadot " hình Để thêm nhãn vậy, nhấp đúp vào khoảng trống phía dịng  Chèn khối Tích hợp khác gắn vào đầu khối trước vẽ đường từ đầu  Gắn nhãn cho dịng đầu "theta"  Chèn khối Tích hợp thứ ba lên khối vẽ đường đến từ thiết bị đầu cuối đầu vào đầu  Gắn nhãn dòng đầu vào " idot " dòng đầu "i" Tiếp theo, bắt đầu mơ hình hóa định luật Newton định luật Kirchoff Các định luật áp dụng cho hệ thống động cho phương trình sau: Gia tốc góc / J nhân với tổng hai số hạng (một vị trí, vị trí khơng) Tương tự, đạo hàm dòng điện / L nhân với tổng ba số hạng (một vị trí, hai số phủ định)  Chèn hai khối Gain, (từ thư viện khối Linear ), khối gắn vào tích phân ngồi bên trái  Chỉnh sửa khối khuếch đại tương ứng với gia tốc góc cách nhấp đúp vào thay đổi giá trị thành "1 / J"  Thay đổi nhãn khối Gain thành "quán tính" cách nhấp vào từ "Gain" bên khối  Tương tự, chỉnh sửa giá trị Gain khác thành "1 / L" gắn nhãn “ cảm kháng ”  Chèn hai khối Sum (từ thư viện khối Linear), khối đính kèm dịng vào khối Gain  Chỉnh sửa dấu hiệu khối Sum tương ứng với phép quay thành "+ -" số hạng dương số hạng âm  Chỉnh sửa dấu khối Sum khác thành "- + -" để biểu diễn dấu số hạng phương trình Kirchoff Bây giờ, thêm vào mơmen biểu diễn phương trình Newton Đầu tiên, ta thêm vào mô-men xoắn giảm chấn  Thêm khối Gain bên trái khối Sum ngõ vào  Đặt giá trị khuếch đại thành "b" đổi tên khối thành "giảm xóc"  Nhấn vào dòng (giữ Ctrl vẽ) khỏi đầu tích hợp quay ( thetadot) kết nối với đầu vào khối khuếch đại giảm chấn  Vẽ đường từ đầu khuếch đại giảm chấn đến đầu vào âm khối Sum quay Tiếp theo, thêm mômen từ phần ứng  Chèn khối Gain gắn vào đầu vào tích cực khối Sum quay dịng  Chỉnh sửa giá trị thành "K" để đại diện cho số động gắn nhãn "Kt"  Tiếp tục vẽ đường dẫn từ tích phân kết nối với khối khuếch đại Kt Bây giờ, ta thêm thuật ngữ điện áp biểu diễn phương trình Kirchoff Đầu tiên, ta thêm điện áp rơi điện trở cuộn dây  Chèn khối Gain trước khối Sum ngõ vào  Đặt giá trị khuếch đại thành "R" đổi tên khối thành " điện trở"  Nhấn vào dòng (giữ Ctrl vẽ) khỏi đầu tích hợp kết nối với đầu vào khối Gain điện trở  Vẽ đường từ đầu độ lợi điện trở đến đầu vào âm khối Sum phương trình Tiếp theo, chúng tơi thêm vào emf phía sau từ động  Chèn khối Gain gắn vào đầu vào phủ định khác khối Sum dịng  Chỉnh sửa giá trị thành "K" để đại diện cho số động gắn nhãn "Ke"  Chạm vào dòng đầu tích hợp quay (thetadot) kết nối với khối Ke Gain Thuật ngữ điện áp thứ ba phương trình Kirchoff đầu vào điều khiển, V Ta áp dụng đầu vào Step  Chèn khối Step (từ thư viện khối Nguồn) kết nối dịng với đầu vào tích cực khối Sum  Để xem tốc độ đầu ra, chèn Scope (từ thư viện khối Sinks) kết nối với đầu tích phân quay thứ hai (theta)  Để cung cấp đầu vào bước đơn vị thích hợp t = 0, nhấp đúp vào khối Step đặt Step Time thành "0" Chạy mô hệ thống động DC trước thiết kế điều khiển PI Nhập thơng số vật lí sau vào Command Window mablab: J=0.01; b=0.1; K=0.01; R=1; L=0.5; Chạy mô Khi mô kết thúc, nhấp đúp vào phạm vi nhấn nút tỷ lệ tự động Ta kết sau Nhận xét: Hệ thống không đạt đến trạng thái ổn định.Cần thiết kế bổ xung thêm điều khiển để đáp ứng yêu cầu đặt 3.3 Thiết kế điều khiển PI cho vị trí động DC  Mở file động vừa thiết kế  Chọn Tạo hệ thống menu Chỉnh sửa (hoặc nhấn Ctrl-G) Thao tác nhóm tất khối chọn thành khối Cửa sổ bạn xuất hình  Thêm khối PID, khối Sum nối theo hình đây, đơng thời chỉnh controller khối PID thành PI ta Mô simulink điều khiển PI cho hệ thống động DC với đầu vị trí 3.4 Khảo sát phụ thuộc hệ số khuếch đại Kp đến chất lượng điều khiển hệ thống Kích đúp vào khối PI, điều chỉnh thông số Ki =0 ,các thông số Kp thay đổi giá trị tăng dần từ 10, 50, 100 Ki=0 ; Kp=10 Nhận xét : có Kp hệ thống tiến vào trạng thái ổn định,thời gian lên giảm độ vọt lố cao, thời gian xác lập lớn Ki=0; Kp= 50 Ki=0; Kp=100 Ki=0; Kp= 150 NHẬN XÉT : Khi tăng Kp :      Thời gian lên giảm nhẹ Độ vọt lố tăng mạnh Sai số xác lập giảm Thời gian xác lập tăng Hệ thống bước vào trạng thái ổn định nhiều thời gian Khi KP tăng thời gian xác lập giảm, nhiên độ vọt lố tăng Nếu vọt lố dẫn đến hệ thống ổn định 3.5 Khảo sát phụ thuộc hệ số tích phân Kp đến chất lượng điều khiển hệ thống Kích đúp vào khối PI, điều chỉnh thông số Kp =0 ,các thông số Ki thay đổi giá trị tăng dần từ , 2, Kp=0; Ki= Kp=0; Ki= Kp=0 ;Ki=5 NHẬN XÉT: Khi Ki tăng giúp triệt tiêu sai số xác lập, nhiên hệ thống ổn định hơn, ta nên để KI nhỏ giúp hệ thống ổn định hơn, dao động Như vậy,từ khảo sát ta rút kết luận để điều chỉnh thông số Kp; Ki cho phù hợp với tiêu chuẩn đề IV PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ BÀI HỌC KINH NGHIỆM Điều khiển kiểm sốt vị trí động DC chủ đề thú vị, mơ hình nghiên cứu có tính thực tế cao, sở cho việc điều khiển máy móc, kiểm sốt điều khiển rơ bốt, tảng cho phát triển mơ hình tự động hóa sau Sau q trình thực tập lớn hiểu cách thức mơ hình hóa hệ thực tế Biết cách sử dụng phần mềm mô Matlab chạy thử hệ thống mô hình simulink Biết cách khảo sát hệ thống tự động phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào thơng số bên ngồi (cụ thể đáp ứng động phụ thuộc vào điện trở R) Bài tập lớn tạo điều kiện thực hành việc thiết kế điều khiển chạy thử máy Khảo sát vào đưa kết phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào thông số điều khiển, tự chỉnh đáp ứng hệ thống theo ý muốn Những thuận lợi trình thực tập lớn: nguồn tài liệu dồi sát với chủ đề, giáo viên hỗ trợ nhiệt tình, cung cấp tài liệu đầy đủ Thời gian tìm hiểu nghiên cứu dài, với hỗ trợ internet kết hợp với kiến thức tích lũy q trình học tập lớp giúp việc hoàn thành tập lớn trở nên nhanh chóng Tuy nhiên cịn nhiều khó khăn q trình thực hiện, điều khiện thực hành làm việc máy tính cịn hạn chế nên việc tiếp xúc với dạng tập nhiều bỡ ngỡ Trong q trình làm khơng thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, với mục tiêu hoàn thành tập lớn cách hoàn chỉnh, nhận xét, đóng góp thầy người đọc chúng em nghiêm túc tiếp thu ... triển mô hình tự động hóa sau Sau q trình thực tập lớn hiểu cách thức mơ hình hóa hệ thực tế Biết cách sử dụng phần mềm mô Matlab chạy thử hệ thống mơ hình simulink Biết cách khảo sát hệ thống. .. số khuếch đại Kp đến chất lượng điều khiển hệ thống 21 3.5 Khảo sát phụ thuộc hệ số tích phân Kp đến chất lượng điều khiển hệ thống 24 IV PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ BÀI HỌC KINH NGHIỆM... DUNG : KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CỦA ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG THEO ĐIỆN TRỞ ĐỘNG CƠ R THAY ĐỔI TỪ ĐẾN 100 OHM 12 III NỘI DUNG 3: THIẾT LẬP BỘ ĐIỀU KHIỂN PI KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN