Bài Tập Lớn Môn : Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động - Đề tài : Hệ Thống Điều Khiển Hành Trình

BÀI TẬP LỚN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Nhóm 1: Hệ thống điều khiển hành trình Nhóm sinh viên Nhóm trưởng : Đỗ Mạnh Tuấn - 19021129 Nguyễn Tuấn Anh - 19020999 Nguyễn Tùng Dương - 19021026 Lê Văn Hậu - 19021040 Vũ Văn Huy - 19021064 Tống Văn Nguyên - 19021090 Nguyễn Vũ Quang - 19021096 Dương Quang Vũ - 19021139 Lại Huy Đức - 19021019 Giảng viên môn học: TS Nguyễn Ngọc Linh Mục lục I Lý thuyết I.1.Chương I.1.1 Giới thiệu I.1.2 Lịch sử hệ thống điều khiển I.1.3 Cấu hình hệ thống 10 I.1.4 Mục tiêu Phân tích Thiết kế 13 I.1.5 Quy trình thiết kế 21 I.1.6 Thiết kế có hỗ trợ máy tính 27 I.1.7 Kỹ sư điều khiển hệ thống 29 I.2 Chương 32 I.2.1 Giới thiệu 33 I.2.2 Cải thiện lỗi trạng thái ổn định thông qua bù xếp tầng 39 I.2.3 Cải thiện phản hồi thống qua thơng qua bù xếp tầng 56 I.2.4 Cải thiện lỗi trạng thái ổn định phản hồi tạm thời 77 I.2.5 Bù hồi tiếp 99 I.2.6 Thực vật lý bù 114 II Thực hành 135 II.1.Giới thiệu chung 135 II.1.1.Giới thiệu chung 135 II.1.2.Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống 135 II.1.3.Khai báo mơ hình hệ thống MATLAB – M-file 142 II.2.Khảo sát đặc tính hệ thống 143 II.2.1 Khảo sát đáp ứng hệ thống 143 II.2.2.Xét tính ổn định hệ thống 152 II.3.Xây dựng mơ hình hệ thống simulink 154 II.3.1.Xây dựng mơ hình hệ thống Simulink 155 II.3.2Phản hồi vòng lặp mở 159 II.3.3.Giải nén mơ hình tuyến tính vào MATLAB 162 II.3.4.Quỹ tích vịng mở 164 II.3.5.Lead Controller 166 II.3.6.Selecting the gain (chọn độ lợi) 167 II.3.7.Lập biểu đồ phản hồi vịng kín 168 II.3.8.Xây dựng bù chì ( building a Lead Compensator) 169 II.4 Xây dựng mơ hình hệ thống Simscape 172 II.4.1.Thiết lập vật lý 172 II.4.2.Tạo nhóm khung cấu hình 174 II.4.3.Lắp ráp bánh 175 II.4.4.Thêm đòn bẩy 182 II.4.5.Thêm dầm 185 II.4.6.Thêm bóng 190 II.4.7.Triển khai điều khiển 196 II.4.8 Triển khai điều khiển Simcape 202 II.5 Thiết kế điều khiển sử dụng quỹ đạo nghiệm số 205 II.5.1 Tiêu chí thiết kế 205 II.5.2 Hệ thống phương trình 205 II.5.3 Thiết kế hệ thống MATLAB 209 II.6 Thiết kế điều khiển PID cho toán Beam-Ball 215 II.6.1.Cấu trúc hệ điều khiển 215 II.6.2 Thiết kế điều khiển PID cho toán beam and ball 215 II.7.Thiết kế điều khiển miền tần số 224 II.7.1.Biểu đồ vòng mã mở 225 II.7.2.Bộ điều khiển dây pha 226 II.7.3.Thêm giai đoạn khác 229 II.8.Thiết kế điều khiển không gian trạng thái 231 II.8.1.BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI ĐẦY ĐỦ 231 II.8.2.ĐẦU VÀO THAM CHIẾU 234 II.9.Thiết kế điều khiển PID kỹ thuật số 237 II.9.1.Giới thiệu điều khiển kỹ thuật số 237 II.9.2.Bộ bù PID với xấp xỉ song tuyến 239 II.9.3.Bộ điều khiển PID kỹ thuật số 240 II.9.4.Chức hàm truyền rời rạc 240 II.9.5.Phản hồi vòng lặp mở 241 II.9.6.Kiểm soát tỷ lệ 242 II.9.7.Kiểm soát phát sinh tỷ lệ 243 II.10.Nhận xét đánh giá 246 Kết luận 246 Đánh giá 247 I Lý thuyết I.1.Chương Kết học tập Chương Sau hoàn thành chương này, học sinh có thể: Xác định hệ thống điều khiển mô tả số ứng dụng (Mục 1.1) Mô tả phát triển lịch sử dẫn đến lý thuyết kiểm sốt ngày (Mục 1.2) Mơ tả tính cấu hình hệ thống điều khiển (Phần 1.3) Mơ tả mục tiêu phân tích thiết kế hệ thống điều khiển (Mục 1.4) Mô tả quy trình thiết kế hệ thống điều khiển (Phần 1.5-1,6) Mơ tả lợi ích từ việc nghiên cứu hệ thống điều khiển (Mục 1.7) Kết học tập nghiên cứu điển hình • Bạn giới thiệu nghiên cứu điển hình chạy hệ thống điều khiển vị trí góc phương vị ăng-ten dùng để minh họa nguyên tắc chương Trong chương này, hệ thống sử dụng để chứng minh cách định tính cách thức hoạt động hệ thống kiểm soát xác định tiêu chí hoạt động làm sở cho việc phân tích thiết kế hệ thống kiểm soát I.1.1 Giới thiệu Hệ thống kiểm sốt phần khơng thể thiếu xã hội đại Nhiều ứng dụng xung quanh chúng ta: Tên lửa khai hỏa tàu thoi bay lên quỹ đạo trái đất; nước làm mát bắn tung tóe, phận kim loại gia công tự động; xe tự hướng dẫn vận chuyển vật liệu đến máy trạm nhà máy lắp ráp hàng không vũ trụ lướt dọc theo sàn nhà để tìm kiếm điểm đến Đây vài ví dụ hệ thống điều khiển tự động mà tạo Chúng tơi khơng phải người tạo hệ thống điều khiển tự động; hệ thống tồn tự nhiên Trong thể có nhiều hệ thống kiểm soát, chẳng hạn tuyến tụy, điều chỉnh lượng đường máu Trong thời gian "chiến đấu bay", adrenaline tăng lên với nhịp tim, khiến lượng oxy cung cấp đến tế bào nhiều Đơi mắt nhìn theo đối tượng chuyển động để giữ cho tầm nhìn; tay nắm lấy đối tượng đặt xác vào vị trí định trước Ngay giới phi vật lý dường tự động điều chỉnh Các mơ hình đề xuất hiển thị kiểm soát tự động kết học tập học sinh Đầu vào mơ hình thời gian học có sinh viên đầu điểm Mơ hình sử dụng để dự đoán thời gian cần thiết để tăng điểm thời gian học tập tăng đột ngột Sử dụng mơ hình này, bạn xác định xem việc học tập tăng lên có xứng đáng với nỗ lực tuần cuối học kỳ hay không Định nghĩa hệ thống điều khiển Một hệ thống kiểm sốt bao gồm hệ thống quy trình (hoặc cây) lắp ráp nhằm mục đích thu đầu mong muốn với hiệu suất mong muốn, với đầu vào xác định Hình 1.1 hiển thị hệ thống điều khiển dạng đơn giản nhất, đầu vào đại diện cho đầu HÌNH 1.1 Mơ tả đơn giản hệ thống điều khiển Ví dụ, xem xét thang máy Khi nhấn nút tầng tầng 1, thang máy lên tầng với tốc độ độ xác tầng thiết kế để tạo thoải mái cho hành khách Việc nhấn nút tầng thứ tư đầu vào đại diện cho đầu mong muốn chúng tôi, hiển thị dạng hàm bước Hình 1.2 Hiệu suất thang máy nhìn thấy từ đường cong đáp ứng thang máy hình HÌNH 1.2 Phản hồi thang máy Hai thước đo hiệu suất rõ ràng: (1) phản ứng thời (2) lỗi trạng thái ổn định Trong ví dụ chúng tôi, thoải mái hành khách kiên nhẫn hành khách phụ thuộc vào phản ứng thời Nếu phản ứng nhanh, thoải mái hành khách bị hy sinh; chậm, kiên nhẫn hành khách bị hy sinh Lỗi trạng thái ổn định đặc điểm kỹ thuật quan trọng khác an toàn tiện lợi hành khách bị hy sinh thang máy không hạ mức Ưu điểm hệ thống điều khiển Với hệ thống điều khiển, chúng tơi di chuyển thiết bị lớn với độ xác mà khơng khơng thể Chúng ta hướng ăng-ten khổng lồ phía xa vũ trụ để thu tín hiệu vô tuyến yếu ớt; Điều khiển ăng-ten tay điều Nhờ hệ thống điều khiển, thang máy đưa nhanh chóng đến đích, tự động dừng tầng bên phải (Hình 1.3) Một chúng tơi khơng thể cung cấp lượng cần thiết cho tải tốc độ; động cung cấp lượng, hệ thống điều khiển điều chỉnh vị trí tốc độ HÌNH 1.3 Một Thang máy ban đầu điều khiển dây thừng thang máy nhà điều hành Ở sợi dây cắt để chứng minh phanh an toàn, đổi thang máy thời kỳ đầu; NS Một hai thang máy Duo-lift đại lên Grande Arche Paris Hai thang máy dẫn động động cơ, ô tô hoạt động đối trọng với tơ Ngày nay, thang máy hồn toàn tự động, sử dụng hệ thống điều khiển để điều chỉnh vị trí vận tốc Chúng tơi xây dựng hệ thống kiểm sốt bốn lý chính: Khuếch đại công suất Điều khiển từ xa Sự thuận tiện biểu mẫu đầu vào Bồi thường cho xáo trộn Ví dụ, angten radar, định vị cách quay công suất thấp núm đầu vào, yêu cầu lượng lớn lượng cho việc quay đầu Một hệ thống điều khiển tạo khuếch đại công suất cần thiết công suất thu Robot thiết kế theo nguyên tắc hệ thống điều khiển bù đắp cho khuyết tật người Hệ thống điều khiển hữu ích vị trí xa xôi nguy hiểm Ví dụ, cánh tay robot điều khiển từ xa sử dụng để lấy vật liệu mơi trường phóng xạ.Nhân vật 1,4 cho thấy cánh tay robot thiết kế để làm việc mơi trường bị nhiễm HÌNH 1.4 Rover xây dựng để làm việc khu vực bị ô nhiễm Three Mile Đảo Middleton, Pennsylvania, nơi xảy vụ tai nạn hạt nhân năm 1979 Cánh tay dài robot điều khiển từ xa nhìn thấy đầu xe Hệ thống điều khiển sử dụng để tạo thuận tiện cách thay đổi hình thức đầu vào Ví dụ, hệ thống điều khiển nhiệt độ, đầu vào vị trí điều nhiệt Đầu nhiệt Do đó, đầu vào vị trí thuận tiện tạo sản lượng nhiệt mong muốn Một ưu điểm khác hệ thống điều khiển khả bù nhiễu Thơng thường, chúng tơi kiểm sốt biến nhiệt độ hệ thống nhiệt, vị trí vận tốc hệ thống khí điện áp, dòng điện tần số hệ thống điện Hệ thống phải có khả mang lại đầu xác có nhiễu Ví dụ, xem xét hệ thống ăng-ten theo hướng có hiệu lệnh Nếu gió đẩy ăng ten khỏi vị trí định tiếng ồn xâm nhập vào bên trong, hệ thống phải có khả phát nhiễu điều chỉnh vị trí ăng ten Rõ ràng, đầu vào hệ thống không thay đổi để thực hiệu chỉnh Do đó, thân hệ thống phải đo lượng nhiễu định vị lại vị trí ăng-ten sau đưa ăng-ten trở lại vị trí đầu vào huy I.1.2 Lịch sử hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển phản hồi lâu đời lồi người Nhiều hệ thống kiểm sốt sinh học xây dựng cho cư dân hành tinh Bây xem xét lịch sử ngắn gọn hệ thống điều khiển người thiết kế Kiểm soát mức chất lỏng Người Hy Lạp bắt đầu sử dụng hệ thống phản hồi kỹ thuật vào khoảng năm 300 trước Công nguyên Một đồng hồ nước Ktesibios phát minh, hoạt động cách cho nước nhỏ giọt vào thùng đo với tốc độ không đổi Mức nước thùng đo sử dụng biết thời gian Để nước nhỏ giọt với tốc độ không đổi, bể cung cấp phải giữ mức không đổi Điều thực cách sử dụng van phao tương tự điều khiển mực nước bồn cầu xả ngày Không lâu sau Ktesibios, ý tưởng điều khiển mức chất lỏng Philon Byzantium áp dụng cho đèn dầu Đèn gồm hai hộp đựng dầu cấu tạo theo chiều dọc Chảo mở nguồn cung cấp nhiên liệu cho lửa Chén kín phía bình chứa nhiên liệu cho chảo bên Các thùng chứa nối với hai ống mao dẫn ống khác, gọi ống nâng thẳng đứng, đưa vào dầu chảo bề mặt Khi dầu cháy, phần đế ống nâng thẳng đứng tiếp xúc với khơng khí, điều buộc dầu bình chứa phía chảy qua ống mao dẫn vào chảo Việc chuyển nhiên liệu từ bình chứa phía sang chảo dừng lại mức dầu trước chảo tái lập, ngăn khơng khí vào ống nâng thẳng đứng Kiểm sốt áp suất nhiệt độ nước Việc điều chỉnh áp suất nước bắt đầu vào khoảng năm 1681 với việc Denis Papin phát minh van an toàn Khái niệm hoàn thiện thêm cách tăng trọng lượng đỉnh van Nếu áp suất lên từ lò vượt trọng lượng, nước áp suất giảm Nếu không vượt trọng lượng, van không mở áp suất bên lị tăng lên Do đó, trọng lượng đỉnh van thiết lập áp suất bên lò Cũng kỷ XVII, Cornelis Drebbel Hà Lan phát minh hệ thống kiểm sốt nhiệt độ hồn tồn học để ấp trứng Thiết bị sử dụng lọ cồn thủy ngân có gắn phao vào Bộ kết nối với van điều tiết để kiểm soát lửa Một phần lọ đưa vào tủ ấm để cảm nhận nhiệt lửa tỏa Khi nhiệt tăng lên, rượu thủy ngân nở ra, nâng cao chất nổi, đóng van điều tiết giảm lửa Nhiệt độ thấp làm phao hạ xuống, mở van điều tiết tăng lửa Bây lỗi trạng thái ổn định loại bỏ tất tiêu chí thiết kế đáp ứng Lưu ý: Một vấn đề thiết kế khơng thiết phải có câu trả lời Sử dụng phương pháp (hoặc phương pháp khác) dẫn đến nhiều bù khác Để thực hành, bạn muốn quay lại thử thay đổi vị trí cực để xem hệ thống phản hồi 236 II.9.Thiết kế điều khiển PID kỹ thuật số II.9.1.Giới thiệu điều khiển kỹ thuật số Hình cho thấy hệ thống phản hồi liên tục điển hình mà chúng tơi xem xét Hầu hết tất điều khiển thời gian liên tục thực cách sử dụng điện tử tương tự Bộ điều khiển liên tục, nằm hình chữ nhật bóng mờ, thay điều khiển kỹ thuật số, hiển thị bên dưới, thực nhiệm vụ điều khiển tương tự điều khiển liên tục Sự khác biệt điều khiển hệ thống kỹ thuật số hoạt động tín hiệu rời rạc khơng phải tín hiệu liên tục Thay đổi cần thiết chúng tơi muốn triển khai thuật tốn điều khiển phần mềm máy tính kỹ thuật số, điều thường xảy 237 Các tín hiệu khác sơ đồ hệ thống kỹ thuật số biểu diễn biểu đồ sau: Mục đích điều khiển kỹ thuật số để trình bày cách sử dụng MATLAB để làm việc với chức rời rạc, dạng chức truyền dạng không gian trạng thái, để thiết kế hệ thống điều khiển kỹ thuật số Trong điều khiển kỹ thuật số thí nghiệm ball & beam, ta sử dụng phương pháp điều khiển PID để thiết kế điều khiển kỹ thuật số Chức truyền vòng lặp mở dẫn xuất dạng: 𝑅 (𝑠) 𝑚𝑔𝑑 𝑚 𝑃 (𝑠) = =− [ ] 𝜃 (𝑠) 𝑠 𝑟𝑎𝑑 𝐿 ( + 𝑚) 𝑅 238 m: khối lượng bóng (kg) g: gia tốc trọng trường (m/s2) d: đòn bẩy cánh tay bù đắp (m) L: chiều dài (m) R: bán kính bóng (m) J: momen qn tính bóng (kg.m^2) R(s): tọa độ vị trí bóng (m) 𝜃 (𝑠) : góc bánh (rad) Tiêu chí thiết kế cho vấn đề là: + Settling time giây (thời gian cần thiết để đầu hệ thống nằm tỷ lệ 5% giá trị trạng thái ổn định cho đầu vào bước) + Overshoot: phần trăm mà phản ứng bước hệ thống vượt giá trị trạng thái ổn định cuối Với hệ thống cần đảm bảo Overshoot 5% II.9.2.Bộ bù PID với xấp xỉ song tuyến Phép biến đổi song tuyến + Có số cách cho lập biểu đồ từ mặt phẳng s sang mặt phẳng z Chuyển đổi xác miền Laplace miền z (𝑇𝑠 thời gian lấy mẫu) 𝑧 = 𝑒 𝑠𝑇𝑠 + Tuy nhiên, chuyển đổi liên quan đến hàm transcendental hàm truyền không biểu diễn dạng tỷ lệ đa thức Điều gây khó khăn cho việc triển khai thuật toán điều khiển máy tính kỹ thuật số Do sử dụng phép biến đổi song tuyến, chuyển đổi gần đúng: 𝑠= 𝑧 −1 ⋅ 𝑇𝑠 𝑧 + Bộ bù PID với biến đổi song tuyến + Trong hệ thống thời gian liên tục, chức truyền cho điều khiển PID mô tả sau: 𝐾𝑑 𝑠 + 𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝑖 𝐾𝑖 ( ) 𝐶 𝑠 = 𝐾𝑃 + + 𝐾𝑑 𝑠 = 𝑠 𝑠 𝐾𝑝 ,𝐾𝑖 𝐾𝑖 lợi ích tỷ lệ, tích phân, đạo hàm 𝑇𝑠 𝑧 + 𝑧+1 + 𝐾𝑑 𝑧−1 𝑇𝑠 𝑧 − 𝐾 𝑇 2𝐾 4𝑘 𝐾 𝑇 2𝐾 (𝐾𝑝 + 𝑖2 𝑠 + 𝑇 𝑑 ) 𝑧 + (𝐾𝑖 𝑇𝑠 − 𝑇 𝑑 ) 𝑧 + (−𝐾𝑃 + 𝑖𝑧 𝑠 + 𝑇 𝑑 ) 𝑠 𝑠 𝑠 = 𝑧2 − Kiểm tra điều cho thấy trình tùy chỉnh tạo điều khiển có cực vịng tròn đơn vị cho thấy điều khiển ổn định chút gây cố 𝐶(𝑧) = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑖 239 II.9.3.Bộ điều khiển PID kỹ thuật số + Chức truyền PID biểu thị 𝐾𝑖 𝐾𝑑 𝑠 + 𝐾𝑃 𝑠 + 𝐾𝑖 𝐶 (𝑠) = 𝐾𝑝 + + 𝐾𝑑 𝑠 = 𝑠 𝑠 + Như trên, hàm truyền viết dạng s Đối với điều khiển PID kỹ thuật số, sử dụng chức truyền sau mặt z 𝑧 𝑧 − (𝐾𝑝 + 𝐾𝑖 + 𝐾𝑑 ) 𝑧 − (𝐾𝑝 + 2𝐾𝑑 )𝑧 + 𝐾𝑑 𝐶 (𝑧) = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑖 + 𝐾𝑑 = 𝑧−1 𝑧 𝑧2 − 𝑧 II.9.4.Chức hàm truyền rời rạc Việc cần làm chuyển hàm truyền hệ thống liên tục sang hàm truyền rời rạc tương đương Để làm điều này, sử dụng hàm MATLAB c2d Để sử dụng c2d, cần định ba đối số: hệ thống, thời gian lấy mẫu (Ts) ‘method’ Bạn hẳn quen với cách tạo hệ thống từ ma trận tử số mẫu số Thời gian lấy mẫu phải nhỏ ∕ (3𝑂𝜔𝑏𝑤 )giây, 𝑤𝑏𝑤 tần số băng thơng vịng kín Phương pháp sử dụng giữ lệnh (‘zoh’) Giả sử tần số bang thơng vịng kín khoảng rad/giây, đặt thời gian lấy mẫu 1/50 (giây/mẫu) Sử dụng c2d, nhập lệnh sau vào m-file MATLAB chạy kết File m-file: hamtruyenroirac.m m = 0.111; R = 0.015; g = -9.8; L = 1.0; d = 0.03; J = 9.99e-6; s = tf('s'); P_ball = -m*g*d/L/(J/R^2+m)/s^2; Ts = 1/50; ball_d = c2d (P_ball, Ts,'zoh') ball_d = 4.2e-05 z + 4.2e-05 z^2 - z + 240 Sample time: 0.02 seconds Discrete-time transfer function Sử dụng hàm tf để khai báo toán tử laplace, sau khai báo đối tượng cách nhập biểu thức toán hàm truyền m=0.111 kg: Trọng lượng cầu R=0.015 m: Bán kính cầu d=0.03m: Độ lệch cánh tay đòn g=9.8 m/s2: Gia tốc trọng trường L=1.0 m: Độ dài đỡ J=9.99e-6 kg.m2: Quán tính cầu Hàm matlab c2d chuyển đổi hệ thống liên tục định (ở dạng hàm truyền dạng không gian trạng thái) thành hệ thống rời rạc sysd=c2d(sysc, Ts,method) phương pháp tùy ý hóa II.9.5.Phản hồi vịng lặp mở + Bây giờ, ta quan sát phản ứng bóng liệu nhập vào 0.25 m Để thực việc này, nhập lệnh sau vào m-file chạy File phanhoivonglap.m numDz = 0.0001*[0.42 0.42]; denDz = [1 -2 1]; Ts = 1/50; ball_d = tf (numDz, denDz,Ts); [x, t] = step(0.25*ball_d,5); stairs (t, x) Lệnh step(SYS,t) vẽ biểu đồ đáp ứng bậc thang hệ thống thời gian từ đến t Để xác định thông số quan trọng đường đáp ứng ta nhấp chuột vào vùng trống đồ thị để xuất menu danh sách thông số stairs(X,Y): Vẽ biểu đồ bậc thang phần tử, vẽ phần tử Y vị trí định X 241 Từ sơ đồ, ta thấy đường tín hiệu tăng dần tiến dần đến giá trị vơ cực, điều cho thấy hệ thống vịng hở khơng ổn định khiến bóng lăn khỏi đầu tia Chính vậy, cần thêm điều khiển tỉ lệ vào hệ thống để hệ thống ổn định II.9.6.Kiểm soát tỷ lệ Bây ta thêm điều khiển tỷ lệ (𝐾𝑝 ) vào hệ thống nhận phản hồi hệ thống vịng kín Bây giờ, cho 𝐾𝑃 =100 xem điều xảy với phản hồi Nhập lệnh sau chạy chương trình File kiemsoattyle.m Ts = 1/50; z = tf('z', Ts); dP_ball = 0.0001*(0.42*z + 0.42)/ (z^2 - 2*z + 1); Kp=100; sys_cl = feedback(Kp*dP_ball,1); [x, t] = step(0.25*sys_cl,5); 242 stairs(t,x) sys= feedback(sys1, sys2) trả đối tượng mơ hình sys cho kết nối phản hồi tiêu cực đối tượng mơ hình sys1, sys2 Sau bổ sung thêm điều khiển Kp chạy thử lại chương trình, ta tín hiệu đầu hàm sin, tín hiệu khơng dần tiến đến giá trị ổn định, chứng tỏ hệ thống không ổn định viên bi bị lăn khỏi đầu tia Thử lại nhiều lần tăng dần giá trị Kp nhiên kết không thay đổi Do ta khẳng định bổ sung điều khiển Kp khơng làm cho hệ thống ổn định Nên cần thêm vào hệ thống độ lợi đạo hàm để kiểm soát phát sinh tỷ lệ Qua đó, thấy việc bổ sung điều khiển tỷ lệ không làm cho hệ thống ổn định Bạn cố gắng tăng (𝐾𝑝 ) xác nhận hệ thống không ổn định II.9.7.Kiểm soát phát sinh tỷ lệ + Chúng ta thêm thuật ngữ phát sinh vào điều khiển Giữ độ lợi tỷ lệ (𝐾𝑃 ) =100 để độ lợi đạo hàm (𝐾𝑑 )=10 Sao chép đoạn mã vào m-file chạy để xem phản hồi hệ thống 243 File kiemsoatphatsinhtyle.m Ts = 1/50; z = tf ('z', Ts); dP_ball = 0.0001*(0.42*z + 0.42)/ (z^2 - 2*z + 1); Kp=100; Kd=10; C = ((Kp+Kd) *z^2 - (Kp+2*Kd) *z + Kd)/ (z^2 + z); sys_cl = feedback(C*dP_ball,1); [x, t] = step(0.25*sys_cl,5); stairs (t, x) Đường tín hiệu tăng dần dần đến giá trị định Tuy nhiên thời gian tăng lớn nên cần tăng độ tỷ lợi lên giá trị cao 244 Hệ thống ổn định, thời gian tăng Việc tăng độ tỷ lợi (𝐾𝑝 ) làm giảm thời gian tăng Tăng độ lợi tỷ lệ (𝐾𝑝 ) = 1000 xem phản hồi File tangtyle.m Kp=1000; Kd=10; C = ((Kp+Kd)*z^2 - (Kp+2*Kd)*z + Kd)/(z^2 + z); sys_cl = feedback(C*dP_ball,1); [x,t] = step(0.25*sys_cl,5); stairs(t,x) 245 Biểu đồ cho thấy tín dần ổn định sau thời gian 2s, nên hệ thống chắn ổn định bóng không bị lăn khỏi đầu tia Thời gian tăng nhỏ 3s điều kiện đủ theo tiêu chuẩn thiết kế Việc thêm điều khiển tỷ lệ Kp độ lợi đạo hàm Kd giúp hệ thống ổn định hơn, tín hiệu đầu tăng dần ổn định giá trị thời gian tăng phụ thuộc vào Giá trị độ lợi Kp cao làm giảm thời gian tăng, đáp ứng yêu cầu thiết kế nhiên thời gian xử lý chạy chương trình tăng lên đáng kể hệ thống nhiều thời gian để xử lý Tuy không đáng kể bóng khơng bị lăn khỏi đầu tia Qua đó, ta thấy tất yêu cầu thiết kế đáp ứng Đối với vấn đề cụ thể này, khơng cần thực điều khiển tích phân Nhưng nhớ có nhiều giải pháp cho vấn đề kiểm soát II.10.Nhận xét đánh giá Kết luận Mục đích Bài tập lớn điều khiển vị trí bóng dầm cách thay đổi góc bánh servo kết nối với dầm thơng qua tay địn Một phương trình vi phân tuyến tính mơ tả động lực học bóng dầm thành mơ hình (hàm truyền) mối quan hệ đầu vào () đầu () lần suy cách sử dụng định luật vật lý Thơng qua cần thực phân tích thiết kế khảo sát, mơ hình hóa điều khiển q trình Bóng Dầm Mục tiêu thực cách trình bày số loại điều khiển, mô thông qua công cụ Matlab – Simulink Chức điều khiển, phân tích hiệu suất hệ thống thực với việc thiết kế điều khiển điều khiển thích hợp PID, điều khiển quỹ đạo nghiệm số, điều khiển miền tần số, điều khiển không gian trạng thái điều khiển kỹ thuật số để đáp ứng tiêu chí thiết kế Với điều khiển PID cấu trúc bù phản hồi đơn giản linh hoạt Ở điều khiển có tác động chung tham số điều khiển hệ thống vịng kín, cụ thể đề cập đến khâu hoạt động tín hiệu sai số để tạo tín hiệu điều khiển 246 Vị trí cực mong muốn tìm thấy từ tiêu chí thiết kế (thời gian ổn định, phần trăm độ vọt lố) Sử dụng quỹ đạo nghiệm số, ta thấy cần phải có bù chì để đáp ứng tiêu chí thiết kế để đặt cực vị trí mong muốn Trong luận này, phương pháp thiết kế miền tần số tìm hiểu Nó tổng qt toàn diện so với thiết kế miền thời gian Có cơng cụ đồ họa cho tần số miền chẳng hạn biểu đồ Bode biểu đồ Nyquist Độ trễ dẫn đầu bù thiết kế với trợ giúp công cụ đồ họa Hiệu suất hệ thống kiểm soát đáp ứng thông số kỹ thuật định miền thời gian miền tần số Chúng ta xem cách sử dụng đáp ứng tần số vòng mở hệ thống để dự đoán hành vi đáp ứng thời gian vịng kín Với khơng gian trạng thái(Miền thời gian) mơ hình hóa xem xét ổn định đánh giá khả Kiểm sốt thiết kế cách sử dụng vị trí cực, đo tất trạng thái so với tham chiếu Ngồi cịn có Thiết kế Observer để ước tính đo lường trạng thái hệ Cuối Bộ điều khiển kỹ thuật số sâu vào chức Chuyển đổi mơ hình thời gian liên tục thành mơ hình thời gian rời rạc Những biến đổi z cách sử dụng để phân tích thiết kế điều khiển cho hệ thống thời gian rời rạc Bài luận hướng dẫn cách sử dụng công cụ Simulink Simcape phần mềm Matlab Việc lựa chọn, thiết kế tích hợp thành phần hệ thống hồn chỉnh mơ hình hóa, mơ phân tích trình bày cụ thể chi tiết Các mơ hình đề xuất tạo xác minh phần mềm MATLAB simulink, mơ hình MATLAB / Simulink với cửa sổ thơng số khối chức nó, sử dụng để điều khiển hệ thống bóng dầm cách sử dụng điều khiển khác nhau, để đơn giản hóa đẩy nhanh trình lựa chọn, thiết kế, khảo sát xác minh Đánh giá Đánh giá mục đích: - Tìm hiểu mơ hình “Ball & Beam”, tìm hiểu ngun lý cân - Tính tốn tham số động lực học, phương trình khơng gian trạng thái, hàm truyền hay sơ đồ khối mơ hình - Thực hành dựa hướng dẫn, tìm hiểu yêu cầu xây dựng, thiết kế, tìm hiểu nguyên lý hoạt động hệ thống tìm cách khắc phục rủi ro, lỗi vận hành hệ thống để hệ thống ổn định – đáp ứng u cầu thiết kế - Xây dựng mơ hình hệ thống Matlab/ Simulink/ Simscape - Trau dồi kiến thức lý thuyết thực tiễn học, áp dụng để giải yêu cầu thết kế, điều khiển mơ mơ hình “Ball & Beam” - Làm tập lớn giúp cho sinh viên nhóm có tinh thần, trách nhiệm cơng việc nhóm, hồn thành nhanh chóng tiến độ so với thời gian yêu cầu cấp thiết phần 247 Giúp cho thành viên nhóm có chuần bị kỹ cho đồ án tốt nghiệp công việc sau - Mục tiêu quan trọng tập lớn giúp nâng cao tinh thần đoàn kết thành viên nhóm, có tinh thần giúp đỡ nhau, xây dựng kỹ làm việc nhóm, qua bổ sung thiếu sót q trình hồn thành cơng việc, hoàn thiện thân, nâng cao kỹ cho cá nhân trước tốt nghiệp Đánh giá tập lớn: - Về phần lý thuyết: Lý thuyết thập lớn bao gồm nội dung chương chương dịch chỉnh sửa từ tiếng Anh sang tiếng Việt Có trình bày lại cho phù hợp kết cấu tập lớn chỉnh sửa phơng bìa, cỡ chữ, màu sắc, theo u cầu tập - Về thực hành: + Thực hành theo hướng dẫn, tìm hiểu thêm việc xây dựng thiết kế hệ thống nguyên lý vận hành hệ thống + Tìm hướng giải vấn đề, khắc phục lỗi khiến hệ thống không ổn định + Nội dung phần thực hành: • Giới thiệu chung Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống Khai báo mơ hình hệ thống Matlab/ m-file • Khảo sát đặc tính hệ thống Nhận xét hệ thống • Xây dựng mơ hình hệ thống Simulink Kết luận đánh giá • Xây dựng mơ hình hệ thống Simscape Kết luận đánh giá • Thiết kế điều khiển sử dụng quỹ đạo nghiệm số • Thiết kế điều khiển PID • Thiết kế điều khiển miền tần số • Thiết kế điều khiển khơng gian trạng thái • Thiết kế điều khiển số + Các mơ hình xây dựng thiết kế thực hành kèm theo file hướng dẫn thực hành ( m-file khai báo, thiết kế, file mơ hình Simulink “.slx”,file mơ hình Simscape) Đánh giá thành viên Sinh viên Nguyễn Tuấn Anh Phần công việc đảm nhiệm Mức đánh giá ( theo % đóng góp) - Lý thuyết: 1-19 chương1 - Thực hành: Thiết kế điều khiển sử dụng 10% quỹ đạo nghiệm số 248 Nguyễn Tùng Dương - Lý thuyết: 19-28 chương1 1-5 chương 10% - Thực hành: Thiết kế điều khiển PID Lê Văn Hậu - Lý thuyết: 5-21 chương 10% - Thực hành: Thiết kế điều khiển miền tần số Vũ Văn Huy - Lý thuyết: 21-35 chương - Thực hành: Thiết kế điều khiển không gian trạng thái 10% Nguyễn Vũ Quang - Lý thuyết: 35-52 chương - Thực hành: Giới thiệu chung 10% Xây dựng mô hình tốn học hệ thống Khai báo mơ hình hệ thống Matlab/ Mfile Soạn thảo: Giới thiệu chung Lại Huy Đức - Lý thuyết: 52-65 chương - Thực hành: Khảo sát đặc tính hệ 10% thống Nhận xét hệ thống Đỗ Mạnh Tuấn - Lý thuyết: 66-80 chương - Thực hành: Xây dựng mơ hình hệ thống 15% Simscape Kết luận đánh giá - Soạn thảo:Đánh giá kết luận toàn hệ thống Dương Quang Vũ - Lý thuyết: 80-98 chương 10% - Thực hành: Thiết kế điều khiển số Tống Văn Nguyên - Lý thuyết: Ghép nội dung phần Chỉnh sửa phơng bìa, cỡ chữ, hình ảnh 15% Chỉnh sửa sai sót -Thực hành: Xây dựng mơ hình hệ thống Simulink Kết luận đánh giá - Soạn thảo: Đánh giá kết luận toàn hệ thống 249 Tổng 100% Bảng Tiến độ thực công việc thành viên https://docs.google.com/spreadsheets/d/1XC_qzDJIuBb_Xhkg6K0Icu6ejqV57L8na-ad05cOyo/edit#gid=0 250 ... tâm lý đề xuất dựa lý thuyết hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển sử dụng tăng công suất, điều khiển từ xa kiểm sốt chuyển đổi hình thức đầu vào bắt buộc Hệ thống điều khiển có đầu vào, trình. .. phần điện Sau tạo mô tả hệ thống vật lý, kỹ sư hệ thống điều khiển chuyển đổi hệ thống vật lý thành sơ đồ Các nhà thiết kế hệ thống điều khiển bắt đầu mô tả vật lý, Hình 1. 8 (a), để rút giản đồ... Trong hệ thống điều khiển lớn thể điều hướng, dẫn đường điều khiển nhiều hệ thống để điều khiển chức xe Ví dụ, độ cao yêu cầu hệ thống điều khiển để đảm bảo vị trí chúng thực vị trí huy, nhiễu động