Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển bằng matlab và simulink

MỤC LỤC 1.MODELING .2 1.1 Xây dựng mơ hình tốn 1.2 Mô Mathlab/ simulink .3 1.3 Thiết kế điều khiển ( sử dụng PID) 1.3.1.Tổng quan điều khiển PID : 1.4 Mô hệ thống với điều khiển Matlab Simulink 1.5.KẾT LUẬN BÀI .10 2.IDENTIFICATION 11 2.1.Khảo sát mơ hình lị nhiệt .11 2.2.Xây dựng liệu .11 2.3.Sử dụng tool Identification Matlab để nhận dạng mô hình tốn hệ thống 12 2.4.Nhận dạng tham số hệ thống 12 2.5 Mô so sánh mơ hình nhận dạng mơ hình gốc 15 2.6 Thiết kế điều khiển (bộ PID) 16 2.7 Mô hệ thống với điều khiển (Matlab/Simulink) 17 2.8.KẾT LUẬN BÀI .18 3.Tài liệu tham khảo .18 1.MODELING Mơ hình động chiều Trong đó: -Lư : điện cảm phần ứng -Rư : điện trở phần ứng -Uư : điện áp phần ứng -Eư : suất phản điện động - ω: tốc độ góc động -Mt : momen tải -J : momen quán tính - Cho Rư=2Ω, Lư=0.5H, Km = 0.015, Kb = 0.015Vs/rad, Kf = 0.2, J =0.02kgm/s 1.1 Xây dựng mô hình tốn Theo định luật Kirchoff ta có phương trình cân điện áp mạch điện phần ứng: U ( t )=i ( t ) Rư + Lư d iư ( t ) + Eư (t ) dt Eư ( t )=K b ∅ ω(t) Trong đó: Kb :hằng số sức điện động ∅ :từ thơng kích từ Km:hằng số momen Áp dụng định luật Newton cho chuyển động quay ,ta có phương trình cân momen trục đông cơ: M (t )=M t + K f ω ( t ) +J dω (t) dt M (t )=K m ∅ i(t) Để đơn giản cho từ thơng kích từ =1.Chọn biến trạng thái :x1(t)=iư(t) x2(t)= ω(t) ,ta có phương trình vi phân biểu diễn động DC kích từ độc lập sau: { Kb di(t ) −Rư = i ( t ) − ω ( t )+ U ( t ) dt Lư Lư Lư K M (t) dω(t) K m = iư (t )− f ω ( t )− t dt J J J 1.2 Mơ Mathlab/ simulink Dựa vào phương trình vi phân mô khối động simulink Hình mơ Bên khối collect data : Dạng sóng đầu Nhận xét: Khi khơng có điều khiển động hoạt động gần với công suất đầu vào ,việc điều khiển vận tốc đầu thời gian 1.3 Thiết kế điều khiển ( sử dụng PID) 1.3.1.Tổng quan điều khiển PID : Bộ điều khiển PID, gọi ngắn gọn PID kỹ thuật điều khiển trình tham gia vào hành động xử lý "tỉ lệ, tích phân vi phân" Nghĩa tín hiệu sai số xảy làm giảm đến mức tối thiểu ảnh hưởng tác động tỉ lệ, ảnh hưởng tác động tích phân làm rõ tốc độ đạt với tác động vi phân số liệu trước Điều khiển PID kiểu điều khiển có hồi tiếp vịng kín sử dụng rộng rải hệ thống điện, tự động hóa, điện tử Sơ đồ khối điều khiển PID: Sơ đồ điều khiển PID đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh nó, tổng ba khâu tạo thành biến điều khiển (MV) Ta có: MV(t)=Pout+Iout+Dout Trong có khâu : - Tỉ lệ (P) - Tích phân(I) - Đạo hàm(D) a)Khâu tỉ lệ (Proportional) Thừa số tỉ lệ: Pout = Kpe(t) Trong : - Pout:thừa số tỉ lệ đầu - Kp:Hệ số tỉ lệ ,thông số điều chỉnh - e(t): Sai số xác lập = SP-PV (SP:điểm đặt ,PV:biến trình) - t: thời gian hay thời gian tức thời(hiện tại) Kết luận: Kp lớn exl nhỏ hệ chưa vọt lố ,tuy nhiên hệ vọt lố tăng Kp tăng POT hệ , hệ thống ổn định ,càng dao động.Ta rút K tăng Kgh hệ thống ổn định.Khơng thể có exl =0 b)Khâu tích phân (Integral) Thừa số tích phân: t I out =K i∫ e ( τ ) dτ Trong đó: - Iout:thừa số tích phân đầu - Ki:độ lợi tích phân , thơng số điều chỉnh - e=sai số =SP-PV - t:thời gian tức thời (hiện tại) -τ :biến tích phân trung gian Kết luận: Khâu vi phân làm giảm sai số xác lập,tăng POT,làm chậm đáp ứng độ c) Khâu vi phân( derivative) Thừa số vi phân: D out =K d d e(t ) dt Trong đó: Dout:thừa số vi phân đầu Kd:Độ lợi vi phân , thông số điều chỉnh e:Sai số =SP-PV t:thời gian thời gian tức thời (hiện tại) kết luận : Khâu vi phân có đặc tính tác động nhanh.Tuy nhiên dễ bị tác động nhiễu tần số cao d) thiết kế khối PID Do Simulink có sẵn khối PID tạo , nên dùng ln Ngồi PID simulink cịn giúp tìm hệ số Kp,Ki,Kd nhanh so với thủ cơng Tìm hệ số điều khối PID 1.4 Mô hệ thống với điều khiển Matlab Simulink Sơ đồ mô động chiều hình dạng sóng ngõ : Nhận xét: dạng sóng ngõ gần với giá trị thiết đặt ban đầu, đáp ứng nhanh,sai số xác lập nhỏ,độ vọt lố thấp,thời gian xác lập tương đối nhanh 1.5.KẾT LUẬN BÀI Qua mô Simulink ,chúng ta thấy việc sử dụng điều khiển so với khơng dùng hiệu suất hệ tăng đáng kể, xác nhanh chóng đáp ứng so với không điều khiển 10 2.IDENTIFICATION 2.1.Khảo sát mơ hình lị nhiệt Hàm truyền lò nhiệt: H ( s )= K e−Ls Ts+1 Để áp dụng cho hệ tuyến tính ta lấy khai triển Taylor hàm e-Ls,hàm truyền trở thành: H ( s )= K (Ts+1)( Ls+1) thay T=T1,L=T2 ta có : Hàm truyền lò nhiệt: Wdt= k (T s+1)(T s +1) 2.2.Xây dựng liệu Dữ liệu đươc lưu vào bảng ecxel Bai1 11 2.3.Sử dụng tool Identification Matlab để nhận dạng mơ hình tốn hệ thống Hàm truyền nhận dạng là: G ( s )= 0.13 s + 0.06199 s+ 0.0008686 Độ khớp gần 98,45% Kết luận: hệ thống xác định mơ hình tốn học gần sát với thực tế , sai lệch thấp, chấp nhận 2.4.Nhận dạng tham số hệ thống Thông số thiết đặt ban đầu : - K=150 - T1=480 - T2=1440 Thông số mẫu nhận dạng : - Kphay=100 - T1phay=300 - T2phay=1000 12 Hình mơ đầu khối chưa nhận dạng: Tiến hành nhận dạng 13 Thông số nhận được: - Kphay=150 - T1phay=479.99 - T2phay=1440 Dạng sóng sau nhận dạng: Kết luận: Thơng số nhận dạng sát với thơng số cho ban đầu,có sai số nhỏ so với ban đầu 14 2.5 Mô so sánh mơ hình nhận dạng mơ hình gốc Hình mơ chung hai khối: Hình mơ chệch lệch khối Nhận xét: đồ thị hai khối gần trùng hoàn toàn,sai số nhỏ từ (5x10-5 đến -15x10-5).Cho thấy công cụ nhận dạng simulink phù hợp với mô nhận dạng cần xác 15 2.6 Thiết kế điều khiển (bộ PID) Theo , ta áp dụng khối PID Simulink để tìm hệ số điều khiển hệ 16 2.7 Mô hệ thống với điều khiển (Matlab/Simulink) Sơ đồ mô động chiều Hình mơ đầu : Kết luận : dạng sóng ngõ gần với giá trị đặt =60 , sai số xác lập nhỏ, độ vọt lố thấp, thời gian đáp ứng tương đối dài, bù lại hệ ổn định 17 2.8.KẾT LUẬN BÀI Qua mô ta thấy cơng cụ Identyfication xác việc nhận dạng mơ hình tốn học, cơng cụ Parameter estimation hoạt động xác Bộ PID điều khiển đầu gần sát với giá trị đặt 3.Tài liệu tham khảo http://websrv2.dthu.edu.vn/tckh/images/2018/so35/106-110.pdf https://www.youtube.com/watch?v=rqzpk372PkM Lý thuyết Điều khiển tự động (tác giả Nguyễn Thị Phương Hà- Huỳnh Thái Hoàng) 18 ... dạng simulink phù hợp với mô nhận dạng cần xác 15 2.6 Thiết kế điều khiển (bộ PID) Theo , ta áp dụng khối PID Simulink để tìm hệ số điều khiển hệ 16 2.7 Mô hệ thống với điều khiển (Matlab/ Simulink) ... tạo , nên dùng ln Ngồi PID simulink cịn giúp tìm hệ số Kp,Ki,Kd nhanh so với thủ cơng Tìm hệ số điều khối PID 1.4 Mô hệ thống với điều khiển Matlab Simulink Sơ đồ mô động chiều hình dạng sóng... ,việc điều khiển vận tốc đầu thời gian 1.3 Thiết kế điều khiển ( sử dụng PID) 1.3.1.Tổng quan điều khiển PID : Bộ điều khiển PID, gọi ngắn gọn PID kỹ thuật điều khiển trình tham gia vào hành động