(TIỂU LUẬN) ứng dụng matlab trong phân tích, đánh giá hệ thống điều khiển tự động và thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống tự động

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG TIỂU LUẬN HỌC PHẦN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MATLAB TRONG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TP Hồ Chí Minh - năm 2021 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG TIỂU LUẬN HỌC PHẦN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MATLAB TRONG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG Giáo viên hướng dẫn: Nhóm thực hiện: TS Phạm Công Thành Nguyễn Lê Minh Tâm - 1951200041 Lê Duy Khương - 1951200027 Phan Thanh Quang Duy - 1951200023 Nguyễn Xuân Trường - 1951200033 TP Hồ Chí Minh - năm 2021 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên nhóm nghiên cứu chân thành gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Kỹ thuật hàng không, Học viện Hàng không Việt Nam, trang bị cho chúng em kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian chúng em theo học trường Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn TS Phạm Công Thành - Giảng viên khoa Điện tử viễn thông hàng không, Học viện Hàng không Việt Nam Thầy người truyền đạt kiến thức giúp nhóm hiểu Cơ sở điều khiển tự động, nhờ dạy tận tình thầy mà nhóm nghiên cứu hồn thành tiểu luận Lời chúng em xin cảm ơn tất người bạn giúp đỡ cho chúng em nhiều thời gian học tập Đặc biệt, chúng em gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân yêu thương, động viên tạo điều kiện tốt cho chúng em học tập Bài tiểu luận cịn khuyết điểm, phân tích cịn hạn chế, nhóm nghiên cứu mong nhận đóng góp ý kiến thầy để nhóm hồn thiện công việc định hướng tương lai LỜI CAM ĐOAN Nhóm nghiên cứu xin cam đoan Bài tiểu luận chưa từng đươc nôp cho bât ky mơt chương trình nghiên cứu nao cũng cho bât ky môt chương trinh câp bằng nao khac Các đoan trích dân sơ liẹu đê tài đươc thu thạp sư dụng mọt cách trung thưc Kêt qua trình bày tiểu luận khơng chép cua bât cư luạn văn cũng chưa đươc trình bày hay cơng bơ bât cư cơng trình nghiên cưu khác trươc Những tư liệu sử dụng Tiểu luận có nguồn gốc trích dẫn rõ ràng Trân trong! TP.HCM, ngày 25 tháng 06 năm 2021 Nhóm thực Nguyễn Lê Minh Tâm Lê Duy Khương Phan Thanh Quang Duy Nguyễn Xuân Trường NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Ngày …… tháng …… năă̆m 2021 Giáo viên chấm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Ngày …… tháng …… năă̆m 2021 Giáo viên chấm MỤC LỤC PHẦN ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 Mụụ̣c đích 1.2 Chuẩn bị 1.3 Thí nghiệm 1.3.1 Tìm hàm truyền tương đương hệ thống 1.3.2 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode 1.3.3 Khảo sát hệ thống dùng phương pháp Quỹ đạo nghiệm số (QĐNS) .9 1.3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống 11 PHẦN ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 15 2.1 Mụụ̣c đích 15 2.2 Chuẩn bị 15 2.3 Thí nghiệm 16 2.3.1 Khảo sát mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ 16 2.3.2 Khảo sát mơ hình điều khiển tốc độ vị trí động DC 24 PHẦN ỨNG DỤNG MATLAB VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 44 3.1 Thiết kế hiệu chỉnh sớm pha 44 3.2 Thiết kế hiệu chỉnh trễ pha 50 3.3 Thiết kế hiệu chỉnh sớm trễ pha 57 PHẦN ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 Mục đích Matlab phần mềm thông dụụ̣ng dùng để phân tích, thiết kế mơ hệ thống điều khiển tự động Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu sử dụụ̣ng lệnh Matlab để phân tích hệ thống xét tính ổn định hệ thống, đặc tính độ, sai số xác lập,… 1.2 Chuẩn bị Để phân tích đặc tính hệ thống, nhóm nghiên cứu phải hiểu kỹ lệnh sau:  bode(g): vẽ biểu đồ Bode hệ thống có hàm truyền G  rlocus(g): vẽ quỹ đạo nghiệm số hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vòng hở G  step(g): vẽ đáp ứng độ hàm nấc hệ thống có hàm truyền G  grid on: kẻ lưới cửa sổ Figure Ngược lại grid off  hold on: giữ hình vẽ cửa sổ Figure, giúp vẽ biểu đồ khác đè lên biểu đồ thứ  conv: lệnh dùng để nhân đa thức  G=tf(TS,MS): tạo hệ thống mô tả hàm truyền G có tử số đa thức TS mẫu số đa thức MS  minereal: lệnh đơn giản hàm truyền  series: lệnh tính hàm truyền hệ thống nối tiếp  parallel: lệnh tính hàm truyền hệ thống song song  feedback: lệnh tính hàm truyền hệ thống hồi tiếp  margin: lệnh dùng để tìm độ dự trữ biên, độ dự trữ pha  ss(A,B,C,D): tạo hệ thống mô tả bằằ̀ng phương trình trạng thái có ma trận trạng thái A, B, C, D  1.3 … Thí nghiệm 1.3.1 Tìm hàm truyền tương đương hệ thống Mục đích: Giúp sinh viên làm quen với lệnh để kết nối khối hệ thống Thí nghiệm: Bằằ̀ng cách sử dụụ̣ng lệnh conv, tf, series, parallel, feedback phần phụụ̣ lụụ̣c chương (trang 85) sách Lý thuyết điều khiển tự động, tìm biểu thức hàm truyền tườn đương G(s) hệ thống sau: Trình tự thí nghiệm: Bước 1: Nhập hàm truyền khối bằằ̀ng cách khai báo đa thức tử, đa thức mẫu cho từằ̀ng khối Sau dùng lệnh tf - Command window: Bước 2: Sau tuyằ̀ theo cấu trúc khối mắc nối tiếp, song song hay hồi tiếp mà ta dùng lệnh series, parallel hay feedback tương ứng để thực việc kết nối khối với - Command window: Bước 3: Báo cáo hình ảnh kết nhận - Command window 1.3.2 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode Mục đích: Từằ̀ biểu đồ Bode hệ hở G(s) tìm tần số cắt biên, độ dự trữ pha, tần số cắt pha, độ dự trữ biên hệ thống hở Dựa vào kết tìm để xét tính ổn định hệ thống hồi tiếp âm đơn vị vớ hàm truyền vịng hở G(s) Thí nghiệm: Khảo sát hệ thống phản hồi âm đơn vị có hàm truyền vòng hở: K G (s)= s+6) ( s2 +s+6) ¿ ( ¿ Trường hợp 1: Với K = 10 a Vẽ biểu đồ Bode biên độ pha hệ thống khoảng tần số (0.1, 100) - Biểu đồ Bode biên pha: Quỹ đạo nghiệm số hệ thống: 53 Quan sát QĐNS ta thấy phương trình đặc tính vịng kín có nghiệm s1=-10 ;s2=- 2,46 ; s3= -0,4 Các thông số hệ thống hiệu chỉnh trễ pha: Trước hiệu chỉnh: Kv =lim G (s )=0,33 s →0 Sau hiệu chỉnh: K v∗¿= Tiếp theo ta tìm cực zero C(s) Để hiệu chỉnh trễ pha không ảnh hưởng nhiều đến đặc tính độ hệ thống ta phải chọn cực zero C(s) nhỏ so với phần thực cặp nghiệm định hệ thống Do đó, ta chọn zero C(s): ZC (s)= 1 10 ℜ {s }=10 2,46=0,246 Và cực C(s): 54 P Cuối ta có hàm truyền hiệu chỉnh trễ pha: C (s )=30 (1+4,1 s) ( 1+120 s) Từằ̀ cửa sổ Sisotool, chọn hiệu chỉnh trễ pha bằằ̀ng cách kích chuột phải chọn menu [Add Pole/Zero] → [Lag] Nhấp chuột vào vị trí bất kyằ̀ trụụ̣c thực QĐNS để xác định vị trí cực zero hiệu chỉnh, Sisotool gán tự động vị trí cực nằằ̀m gần gốc tọa độ zero Quỹ đạo nghiệm số sau thêm hiệu chỉnh: 55 Vì hiệu chỉnh Sisotool gán tự động nên ta phải chỉnh lại cho với hiệu chỉnh trễ pha vừằ̀a tìm bằằ̀ng cách kích chuột phải chọn 56 menu [Edit Compensator ] Cửa sổ Edit Compensator C ra, tiến hành thay đổi cực zero C(s) hình vẽ bên dưới: Và QĐNS sau thay đổi vị trí cực zero hiệu chỉnh C(s) tính tốn: 57 Sau thiết kế xong, ta tiến hành vẽ đáp ứng hệ thống với đầu vào hàm dốc Chú ý, công cụụ̣ Sisotool không hỗ trợ vẽ đáp ứng hàm dốc nên ta phải chuyển hệ thống vừằ̀a thiết kế sang mơ hình SIMULINK để mô Sửa đổi sơ đồ khối để mô đáp ứng đầu vào hàm dốc sau: Đáp ứng độ hệ thống sau hiệu chỉnh với thời gian mô Stop time = 30s 58 3.3 Thiết kế hiệu chỉnh sớm trễ pha Cho hệ thống hình vẽ: 10 G (s )= s ( s+6) a Thiết kế hiệu chỉnh sớm trễ pha để hệ thống có = 0.5, wn = (rad/s) hệ số vận tốc KV = 80 Trình bày rõ trình thiết kế b Vẽ đáp ứng độ hệ thống sau hiệu chỉnh với đầu vào hàm dốc để chứng minh hệ thống đạt yêu cầu câu a Thực a Nhập hàm truyền sau vào command windows nhấn enter: Ts = 10; Ms = conv ([1 0],[1 6]); G = tf(Ts,Ms) H=1; sisotool (G,H) 59 Cửa sổ sisotool sau: Quan sát QĐNS ta thấy phương trình đặc tính vịng kín có nghiệm: S1= -3 + j1.01 S2= -3 – j1.01  - Hệ thống ổn định Kích chuột phải vào vùng QĐNS, menu kiểu pop-up xuất hiện: Lead hiệu chỉnh sớm pha - Chọn [Add Pole/Zero]→[Lead] để thêm khâu hiệu chỉnh sớm pha vào hệ thống - Click chuột phải vào vùng QĐNS sau ta chọn [ Design Requirement] →[New] để cài đặt dampling ratio natural frequency: Chọn [damping ratio] > 0.5 Chọn [natural frequency] - [at most] rad/s Nhận thấy QĐNS trước hiệu chỉnh có nghiệm là: P1= -1.58 P2= -4.3 + j2.84 P3= -4.3 - j2.84 60 Sau đó, ta tiến hành di chuyển zero tới vị trí -6 di chuyển cực tới vị trí -5 để thỏa mãn yêu cầu thiết kế Với ξ=0.5, wn=5 rad/s, suy S*1,2= -2 + j1.45 Do đó, thiết kế hiệu chỉnh sớm pha C1(s) , để hệ thống có = 0.5, wn = ta di chuyển zero C1(s) tới vị trí –0.5 (vị trí cực G(s) để khử cực này) di 61 chuyển cực ∗của C1(s) (phải cách xa gốc tọa độ zero) cho QĐNS qua nghiệm 1,2 Kích chuột phải vào vùng QĐNS, menu kiểu pop-up xuất hiện, chọn [compensator edit] Vậy hàm truyền hiệu chỉnh là: C 1(s)=2 9575 (1+0.17 s) (1+ 0.2 s) Sau đó, ta thiết lập: G1(s)=G(s)*C1(s) 62 b Nhập hàm truyền sau vào command windows nhấn enter: >>G1 = tf ([5.02775 29.575], [0.2 2.2 0]); >>H = 1; >>sisotool (G1, H) Sau nhập hàm truyền vào Sisotool, quan sát QĐNS ta thấy phương trình đặc tính vịng kín có nghiệm (dấu ■ màu đỏ): s1= -5.9, s2,3 = -2.55 ± j4.31 Ta có: theo yêu cầu đề KV= 80 Mà KV =lim sC (s) C 2( s )G (s) KC 1=lim C (s)=2.9575 s→0 KV (G)=lim sG ( s)=5/3 s→ Tiếp theo ta tìm cực zero C(s) Để hiệu chỉnh trễ pha không ảnh hưởng nhiều đến đặc tính độ hệ thống ta phải chọn cực zero C(s) nhỏ so với phần thực cặp nghiệm định hệ thống Ta chọn: Do đó, ta chọn zero C(s): 1 zC(s )= 10 |ℜ {s 2}| = 10 |−2.55|= 0.255 Và cực C(s): pC (s)= zC(s )/ KC = 0.255 63 16.23 =0.0157 - Kích chuột phải vào vùng QĐNS, menu kiểu pop-up xuất hiện: Lag hiệu chỉnh sớm pha - Chọn [Add Pole/Zero]→[Lag] để thêm khâu hiệu chỉnh sớm pha vào hệ thống - Kích chuột phải vào vùng QĐNS, menu kiểu pop-up xuất hiện, chọn [compensator edit] -> Click vô Type Lag ta điều chỉnh thông số zero, cực KC2 mà ta tính tốn phía trên: 64 Sau thiết kế xong, ta tiến hành vẽ đáp ứng hệ thống với đầu vào hàm dốc Chú ý, công cụụ̣ Sisotool không hỗ trợ vẽ đáp ứng hàm dốc nên ta phải chuyển hệ thống vừằ̀a thiết kế sang mơ hình SIMULINK để mơ - Từằ̀ cửa sổ Sisotool, vào menu [Export] → [ Create Simulink Model] Cửa sổ thông báo ra, nhấn [Yes] Mơ hình Simulink hệ thống sau: - Vào [Library Browser] → chọn [Source] → chọn khối [Ramp] để vào vị trí [Input] - Chỉnh thời gian mô Stop time = 30s nhấn [Run] để hệ thống chạy Double click vào [Output] để xem kết 65 66 ... hình hệ thống điều khiển nhiệt độ 16 2.3.2 Khảo sát mơ hình điều khiển tốc độ vị trí động DC 24 PHẦN ỨNG DỤNG MATLAB VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 44 3.1 Thiết. ..BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG TIỂU LUẬN HỌC PHẦN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MATLAB TRONG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ... đích Matlab phần mềm thông dụụ̣ng dùng để phân tích, thiết kế mơ hệ thống điều khiển tự động Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu sử dụụ̣ng lệnh Matlab để phân tích hệ thống xét tính ổn định hệ