TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM môn lý thuyết điều khiển tự động

TRƯỜNG ĐH HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BM.05.QT.PDT.04 15/04/17-REV:03 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH - THÍ NGHIỆM TÊN HỌC PHẦN : LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG MÃ HỌC PHẦN : 13434 HỆ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hải Phịng, ngày / / 2020 TRƯỞNG KHOA (hoặc Trưởng đơn vị) PGS.TS.Trần Anh Dũng Hải Phòng, ngày / / 2020 Hải Phòng, ngày / / 2020 TRƯỞNG BỘ MÔN (hoặc Trưởng phận) NGƯỜI BIÊN SOẠN PGS.TS Đinh Anh Tuấn PGS,TS.Trần Anh Dũng ThS Lê Thị Thanh Tâm HẢI PHÒNG, 2020 MỤC LỤC CÁC BÀI THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM STT TÊN BÀI THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM ĐỊA ĐIỂM Bài 1: Tạo lập ghép nối mơ hình hàm truyền đạt Bài 2: Khảo sát tính chất động học hệ điều khiển tự động Bài 3: Khảo sát tính ổn định hệ thống điều khiển tự động Bài 4: Đánh giá trình độ hệ điều khiển tự động Bài 5: Tổng hợp khảo sát điều khiển PID Bài 6: Tổng hợp điều khiển Modal khảo sát Simulink PM2-A5 (Tầng 3) PM2-A5 (Tầng 3) PM2-A5 (Tầng 3) PM2-A5 (Tầng 3) PM2-A5 (Tầng 3) PM2-A5 (Tầng 3) Số có: 06 Tổng số tiết: 12 SỐ TIẾT TRANG (từ - đến) 02 5-6 02 02 8-9 02 10-11 02 12-14 02 15-19 GHI CHÚ TRƯỜNG ĐH HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Hải Phòng, ngày 11 tháng năm 20… MẪU BIÊN SOẠN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM Phần I: Giới thiệu chung thực hành - thí nghiệm môn học: - Mục tiêu chung phần thực hành – thí nghiệm mơn học  Giúp sinh viên nắm khái niệm phương pháp phân tích, đánh giá tổng hợp hệ thống điều khiển tự động học lý thuyết  Sinh viên thực hành tổng hợp hệ điều khiển tự động mơ máy tính sử dụng cơng cụ phần mềm Matlab - Giới thiệu chung thiết bị phịng thực hành – thí nghiệm Phịng thí nghiệm có hệ thống máy tính PC nối mạng có trang bị phần mềm Matlab với công cụ đa dạng để khảo sát, đánh giá, phân tích, tổng hợp mô hệ thống điều khiển tự động:  Tạo ghép nối mơ hình hệ thống điều khiển tự động  Khảo sát đặc tính tần số hệ thống điều khiển tự động  Khảo sát đặc tính thời gian hệ thống điều khiển tự động  Phân tích tính ổn định hệ thống điều khiển tự động  Tổng hợp điều khiển  Xây dựng khảo sát hệ thống điều khiển tự động công cụ mô Simulink - Bảng tiến độ thời lượng triển khai thực hành thí nghiệm STT TÊN BÀI THỰC HÀNH – THÍ NGHIỆM Bài 1: Tạo lập ghép nối mơ hình hàm truyền đạt Bài 2: Khảo sát tính chất động học hệ điều khiển tự động Bài 3: Khảo sát tính ổn định hệ thống điều khiển tự động Bài 4: Đánh giá trình độ hệ điều khiển tự động Bài 5: Tổng hợp khảo sát điều khiển PID Bài 6: Tổng hợp điều khiển Modal khảo sát Simulink SỐ TIẾT TUẦN 02 01 02 01 02 01 02 01 02 01 02 01 GHI CHÚ - Phương pháp đánh giá kết thực hành thí nghiệm sinh viên  Kết thực hành thí nghiệm sinh viên đánh giá thông qua điểm báo cáo thí nghiệm thái độ học tập sinh viên buổi thực hành - Công tác chuẩn bị sinh viên  Chuẩn bị trước vào phòng thí nghiệm o Nghiên cứu nội dung thí nghiệm thực hành để hiểu rõ mục đích, yêu cầu o Tính tốn, chuẩn bị số liệu cần thiết cho thí nghiệm thực hành  Khi vào phịng thí nghiệm: o Khởi tạo chương trình Matlab o Chỉnh định thơng số chương trình cần thiết o Tiến hành thí nghiệm thực hành o Quan sát hoạt động câu lệnh, chương trình, hệ thống Nhận xét so sánh với nội dung nghiên cứu o Giải số tình cán hướng dẫn đề nghị o Đề xuất ý kiến cá nhân o Nộp báo cáo ghi chép thông số, đồ thị, kết rút từ thí nghiệm thực hành - Cán phụ trách, hướng dẫn thực hành thí nghiệm học phần  PGS.TS Trần Anh Dũng  PGS.TS Đinh Anh Tuấn  PGS.TS Hoàng Đức Tuấn  Ths Nguyễn Thanh Vân  Ths Lê Thị Thanh Tâm - Tài liệu tham khảo Nguyễn Doãn Phước Lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 Nguyễn Thương Ngô Điều khiển tự động Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2003 Phạm Công Ngô Điều khiển tự động Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 Nguyễn Phùng Quang Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 Phần II: Nội dung chi tiết THTN: Bài 1: TẠO LẬP VÀ GHÉP NỐI CÁC MƠ HÌNH HÀM TRUYỀN ĐẠT 1: Mục tiêu: 1.1: Từ hàm truyền đạt cho trước hệ điều khiển liên tục tuyến tính, sinh viên phải biết tạo lập hàm truyền đạt matlab 1.2: Từ sơ đồ khối dạng hàm truyền đạt hệ điều khiển liên tục tuyến tính bao gồm nhiều khối ghép nối với nhau, sinh viên phải tìm hàm truyền đạt hệ matlab 1.3: Báo cáo kết thí nghiệm văn 2: Công tác chuẩn bị sinh viên: 2.1 Các kiến thức hàm truyền đạt hệ điều khiển liên tục tuyến tính 2.2 Cách tạo lập hàm truyền đạt hệ điều khiển liên tục tuyến tính Matlab 2.3 Cách ghép nối mơ hình hàm truyền đạt Matlab 2.4 Cách tìm hàm truyền đạt hệ điều khiển liên tục tuyến tính bao gồm nhiều khối ghép nối với Matlab 3: Trang thiết bị cần thiết: 3.1: Máy tính 3.2: Phần mềm Matlab cài đặt sẵn máy tính 4: Các nội dung, quy trình: 4.1Tạo lập hàm truyền đạt hệ điều khiển liên tục tuyến tính Malab Hệ thống tự động + 5s ( ) = +2 s + (s + 2) (s + 4) Yêu cầu: Sử dụng lệnh sys=tf(num, den); sys = zpk ( Z, P , K) Viết chương trình để tạo lập hàm truyền đạt Matlab 4.2: Tìm hàm truyền đạt hệ điều khiển liên tục tuyến tính bao gồm nhiều khối ghép nối với Matlab ( ) = U(t) _ s + + s s+1 s s 2 s + 2s 3 s + Y(t) + s + U(t) _ _ s + s + 1 s + Y(t) s s+1 s Yêu cầu: Sử dụng lệnh sys=tf(num, den); sys = series(sys1, sys2); sys = parallel (sys1, sys2); sys = feedback(sys1, sys2) Tìm hàm truyền đạt hệ cho 5: Kết luận, yêu cầu cần đạt sinh viên sau thực hành - Sinh viên tạo lập hàm truyền đạt matlab - Tìm hàm truyền đạt hệ matlab Bài 2: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐỘNG HỌC CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1: Mục tiêu: 1.1: Từ mơ hình hàm truyền đạt khâu quán tính bậc khâu dao động bậc 2, SV phải xây dựng đặc tính tần số, đặc tính thời gian hệ 1.2: Khảo sát so sánh đặc tính thời gian hệ cho tác động vào hệ dạng đáp ứng: Đáp ứng xung đáp ứng bước 1.3: Báo cáo kết thí nghiệm văn 2: Cơng tác chuẩn bị sinh viên: 2.1 Các kiến thức đặc tính tần số hệ điều khiển tự động 2.2 Các kiến thức đặc tính thời gian hệ điều khiển tự động 2.3 Các kiến thức ổn định, trình độ hệ thống tự động 2.4 Các lệnh matlab để vẽ đặc tính 3: Trang thiết bị cần thiết: 3.1: Máy tính 3.2: Phần mềm Matlab cài đặt sẵn máy tính 4: Các nội dung, quy trình: 4.1 Vẽ đặc tính tần số hệ điều khiển tự động Khâu qn tính bậc có hàm truyền đạt k ( )= Ts + với k =1 T= 0.2 (hàm G1(s)); K= T= 0.3 (Hàm G2(s)) ; k =1 T = 0.2 (Hàm G3(s)), k =1 T = 0.3 (Hàm G4(s)) Yêu cầu: Sử dụng lệnh bode (sys), bode (num,den), nyquist (sys), nyquist(num,den) Viết chương trình để vẽ đặc tính tần số biên pha tần số logarit hệ Matlab Cụ thể sau: - Vẽ đặc tính tần số hàm G1(s), G2(s) hệ tọa độ (Sử dụng lệnh hold on để vẽ nhiều đặc tính hệ tọa độ ví dụ để vẽ đường đặc tính hệ tọa độ ta có câu lệnh: bode(sys1); hold on; bode(sys2)) So sánh đánh giá đường đặc tính - Vẽ đặc tính tần số hàm G3(s), G4(s) hệ tọa độ (Sử dụng lệnh hold on để vẽ nhiều đặc tính hệ tọa độ) So sánh đánh giá đường đặc tính 4.2 Vẽ đặc tính thời gian hệ điều khiển tự động Cho khâu dao động bậc có hàm truyền đạt ( ) = + 2ξTs + Với thông số sau: K (với T=0.5s; 10 50 100 ξ=0.65) 0.5 1.2 T (với k=3; ξ =0.2) Yêu cầu: Sử dụng lệnh step (sys), impulse (sys) Viết chương trình để vẽ đặc tính thời gian hệ với đáp ứng xung đáp ứng bước tác động vào hệ Matlab Cụ thể sau: - Thay giá trị K theo bảng (với T=0.5s; ξ=0.65) hàm G1(s), G2(s), G3(s) Vẽ đặc tính thời gian hàm hệ tọa độ (Sử dụng lệnh hold on để vẽ nhiều đặc tính hệ tọa độ ví dụ để vẽ đường đặc tính hệ tọa độ ta có câu lệnh: step(sys1); hold on; step(sys2)) So sánh đánh giá đường đặc tính Thay giá trị T theo bảng (với k=3; ξ =0.2) hàm G4(s), G5(s), G6(s) Vẽ đặc tính thời gian hàm hệ tọa độ (Sử dụng lệnh hold on để vẽ nhiều đặc tính hệ tọa độ) So sánh đánh giá đường đặc tính 5: Kết luận, yêu cầu cần đạt sinh viên sau thực hành - Từ mơ hình hàm truyền đạt hệ cho, SV phải xây dựng đặc tính tần số đặc tính thời gian hệ matlab - Đánh giá kết thu ứng với thông số khác - Bài 3: KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1: Mục tiêu: 1.1: Từ hệ điều khiển vịng kín cho trước, sinh viên khảo sát tính ổn định hệ thống theo điều kiện ổn định việc tìm nghiệm từ phương trình đặc tính matlab 1.2: Từ hệ điều khiển vịng kín cho trước, sinh viên khảo sát tính ổn định hệ thống theo tiêu chuẩn Mikhailov Nyquist cách vẽ đặc tính tần số hệ matlab 1.3: Báo cáo kết thí nghiệm văn 2: Cơng tác chuẩn bị sinh viên: 2.1 Các khái niệm ổn định, biên giới ổn định, không ổn định trình độ 2.2 Các kiến thức điều kiện ổn định hệ thống 2.3 Các kiến thức tiêu chuẩn ổn định đại số tiêu chuẩn ổn định tần số 2.4 Các lệnh matlab để thực khảo sát tính ổn định hệ thống theo tiêu chuẩn 3: Trang thiết bị cần thiết: 3.1: Máy tính 3.2: Phần mềm Matlab cài đặt sẵn máy tính 4: Các nội dung, quy trình: 4.1 Khảo sát theo điều kiện ổn định Cho hệ điều khiển vịng kín có sơ đồ sau G(s) U(t) Y(t) _ ( )= ( )= + + s + + 4s + s + 2s + + 0.2 + s + k + 3s + ( )= + 3 với k =2, 4, 8, 15 Yêu cầu: Sử dụng lệnh roots(den) tìm nghiệm phương trình đặc tính để khảo sát tính ổn định hệ theo điều kiện ổn định Matlab 4.2 Khảo sát tính ổn định theo tiêu chuẩn Mikhailov Cho hệ điều khiển vịng kín (4.1) u cầu: Sử dụng lệnh nyquist(den,1) để khảo sát tính ổn định hệ theo tiêu chuẩn Mikhailov Matlab 4.3Khảo sát tính ổn định theo tiêu chuẩn Nyquist Cho hệ điều khiển vòng kín (4.1) Yêu cầu: Sử dụng lệnh nyquist(sys) để khảo sát tính ổn định hệ theo tiêu chuẩn Nyquist Matlab 5: Kết luận, yêu cầu cần đạt sinh viên sau thực hành - Từ hệ điều khiển cho trước, sinh viên khảo sát tính ổn định hệ qua điều kiện ổn định, tiêu chuẩn đại số tiêu chuẩn tần số hệ matlab - Đánh giá kết thu ứng với thông số khác 10 Bài 4: ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1: Mục tiêu: 1.1: Cho trước hàm truyền đạt hệ điều khiển tự động, sinh viên xây dựng chương trình matlab để vẽ đáp ứng đầu hệ theo thời gian 1.2: Xây dựng chương trình matlab để xác định tham số: Độ điều chỉnh, thời gian độ, giá trị xác lập đầu hệ cho Đánh giá kết thu 1.3: Báo cáo kết thí nghiệm văn 2: Công tác chuẩn bị sinh viên: 2.1 Các khái niệm thời gian độ, độ điều chỉnh, số lần dao động 2.2 Các lệnh matlab để thực đánh giá trình độ hệ điều khiển tự động: Các lệnh để vẽ đáp ứng đầu hệ, lệnh để tạo vịng lặp tính thời gian q độ giá trị xác lập đầu hệ 3: Trang thiết bị cần thiết: 3.1: Máy tính 3.2: Phần mềm Matlab cài đặt sẵn máy tính 4: Các nội dung, quy trình: 4.1 Cho hệ điều khiển tự động có hàm truyền đạt 1( ) = 2( ) = + 0.3s + + 2s + + + 2s + Yêu cầu: Đánh giá trình độ hệ 4.2 Đánh giá trình độ hệ G1(S) * Vẽ đáp ứng đầu hệ %Chuong trinh danh gia qua trinh qua cua he num=[1]; den=[1 0.3 4]; step(num,den); grid on; 11 * Xác định độ điều chỉnh b, thời gian độ tqd, giá trị xác lập đầu yxl [y,x,t]=step(num,den); ymax=max(y); yxl=0.25; b=ymax-yxl; n=length(t) k=n; while abs(y(k)-yxl)