BÀI THÍ NGHIỆM 1 TRƯỜNG ĐH TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SVTH TRẦN ĐĂNG PHAN MSSV 910467D Lớp 09DD2N Tp HCM, ngày 3 tháng 1[.]
TRƯỜNG ĐH TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ-VIỄN THƠNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SVTH : TRẦN ĐĂNG PHAN MSSV : 910467D Lớp : 09DD2N Tp.HCM, ngày tháng năm 2009 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN BÀI THÍ NGHIỆM : ỨNG DỤNG MATLAB PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG I Tìm hàm truyền tương hệ thống : G1 G2 G3 H1 ; ; H1=s+2 Tìm hàm truyền tương đương theo lý thuyết : G13=G1 // G3 = + = G2H1= G2 ht H1 = Gnt = G13 nt G2H1 = G(s)= Tìm hàm truyền tương đương Matlab: >> G1 = tf([1 1],conv([1 3],[1 5])) % nhap ham truyen G1 Transfer function: s+1 -TRANG TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN s^2 + s + 15 >> G2 = tf([1 0],[1 8]) % nhap ham truyen G2 Transfer function: s s^2 + s + >> G3 = tf(1,[1 0]) % nhap ham truyen G3 Transfer function: s >> H1= tf([1 2],1) % nhap ham truyen H1 Transfer function: s+2 >> G13=parallel(G1,G3) % tinh ham truyen tuong duong cua G1 va G3 Transfer function: s^2 + s + 15 -s^3 + s^2 + 15 s >> G2H1=feedback(G2,H1) % tinh ham truyen tuong duong cua G2,H1 Transfer function: s s^2 + s + >> Gtd = series(G13,G2H1) % tinh ham truyen tuong duong cua G13,G2H1 Transfer function: s^3 + s^2 + 15 s s^5 + 20 s^4 + 70 s^3 + 124 s^2 + 120 s >> G = feedback(Gtd,1) % ham truyen vong kin TRANG TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN Transfer function: s^3 + s^2 + 15 s s^5 + 20 s^4 + 72 s^3 + 133 s^2 + 135 s II.Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode: Khảo sát hệ thống phản hồi âm đơn vị có hàm truyền vòng hở G(s)= a) Với K=10 vẽ biểu đồ bode biên độ pha hệ thống khoảng tần số(0.1,100) >> TS=10 % nhap tu so cua G(s) TS = 10 >> MS = conv([1 0.2],[1 20]) % nhap mau so cua G(s) MS = 1.0000 8.2000 21.6000 >> G = tf(TS,MS) 4.0000 % nhap ham truyen G(s) Transfer function: 10 -s^3 + 8.2 s^2 + 21.6 s + >> bode(G,{0.1,100}) % ve bieu bode cua ham truyen khoang (0.1,100) >>grid on % ke luoi TRANG TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN b) dựa vào biểu đồ bode tìm tần sồ cắt biên,độ dự trữ pha,độ dự trữ biên hệ thống: Tìm theo lý thuyết: Tần số cắt biên ( ) tần số mà biên độ đặc tính tần số (hay dB) Tần số cắt pha (W-II ) tần số pha đặc tính tần số –II (hay 1800c) Độ dự trữ biên : GM = -L(W-II) (dB) ẹoọ dửù trửừ pha: ỵM = 1800+ (wc) Tìm Matlab Từ - biểu đồ Bode xác định độ Tần số cắt biên wc = 0,454rad/s Tần số cắt pha w-x = 4,66rad/s Độ dự trữ biên : GM = 24.8 dB Độ dự trữ pha : ỵ M = 103.30 So VD xaực ủũnh lý thuyết Matlab kết giống - Điều kiện ổn định hệ thống dựa vào biểu đồ Bode là: - : GM >0 ÞM>0 Theo biểu đồ Bode ta nhận thấy : GM = 24,8dB>0 ÞM1800 + (-76,70) =103,30 >0 Vậy hệ thống ổn định TRANG TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN c) Vẽ đáp ứng độ hàm nấc : >> Gk=feedback(G,1) % ham truyen vong kin Transfer function: 10 s^3 + 8.2 s^2 + 21.6 s + 14 >> step(Gk,10) % ve ham nac d) K = 400 >> TS=400%nhap tu so cua G(s) TS = 400 >> MS=conv([1 0.2],[1 20]) %nhap mau so cau G(s) MS = TRANG TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.0000 SV : TRẦN ĐĂNG PHAN 8.2000 21.6000 4.0000 >> G=tf(TS,MS) %nhap ham truyen G(s) Transfer function: 400 -s^3 + 8.2 s^2 + 21.6 s + >> bode(G,{0.1,100}) (0.1,100) >>grid on %ve bieu bodecua ham truyen khoang %ke luoi >> Gk=feedback(G,1) %ham truyen vong kin Transfer function: 400 -s^3 + 8.2 s^2 + 21.6 s + 404 >> step(Gk,10) %ve ham nac TRANG TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN IV Khảo sát hệ thống dùng QĐNS : a)Vẽ QĐNS hệ thống, tìm Kgh hệ thống : >> TS=1 %nhap tu so cua G(s) TS = >> MS=conv([1 3],[1 20]) %nhap mau so cau G(s) MS = 11 44 60 >> G=tf(TS,MS) %nhap ham truyen G(s) Transfer function: -TRANG TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN s^3 + 11 s^2 + 44 s + 60 >> rlocus(G) >>grid on %ve QDNS cua ham truyen %ke luoi Đễ tìm Kgh hàm ta nhấp chuột vào giao điểm QĐNS với trực ảo a) Tìm K để hệ thống có tần số dao động tự nhiên W n =4 Ta nhấp chuột vào giao điểm QĐNS với vòng trò Wn = b) Tìm K để hệ thống có hệ số tắt =0.7 Ta nhấp chuột vào giao điểm QĐNS với đường thẳng =0.7 c) Tìm K để hệ thống có độ vọt lố POT =25% POT=EXP(- ) Vậy muốn tìm K để hệ thống có độ vọt lố POT = 25% ta nhấp chuột vào giao điểm QĐNS với đường thẳng =0.7 d) Tìm K để hệ thống có thời gian xác lập (tiêu chuẩn 2%) 4s Ta coù : TRANG TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN Txl= - Vậy để hệ thống có txl = 4s ta nhấp chuột vào giao điểm QĐNS đường thẳng Dựa vào QĐNS ta xác định Kgh = 426 K = 52,4 để hệ thống có Wn = K = 19,8 để hệ thống có = 0,7 K = 78,6 để hệ thống có POT = 25% - K = 174 để hệ thống coù txl = 4s V Đánh giá chất lượng hệ thống: Khảo sát định tính độ với đầu vào hàm nac đơn vị để tìm độ vọt lố sai số xác lập hệ thống a) Vd K= Kgh tìm phần , voi K=Kgh=424 >> Gk=feedback(424*G,1) %ham truyen vong kin Transfer function: 424 s^3 + 11 s^2 + 44 s + 484 >> step(Gk) >>grid on %ve ham nac TRANG 10 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN BÀI THÍ NGHIỆM : ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG I.A Khảo sát hệ hở,nhận dạng hệ thông theo mô hình Ziegler-Nichols: Mô hình hệ thống lò nhiệt vòng hở: a) Chỉnh giá trị hàm nấc 1,thời gian mô Stop time=600s >> plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values) >> grid on %ke luoi T=120; L=30 TRANG 14 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN b) Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON-OFF: Mô hình điều khiển nhiêt độ ON-OFF sau: Tín hiệu đặt vào hàm nấc u(t)=100 A + C.Chỉnh thời gian mô Stop time=600s TRANG 15 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN b Vùn g trễ 1/-1 5/-5 10/10 20/20 12 17 1.5 12 Chu kỳ đóng ngắt (s) 60 100 125 30 22 170 Vùng trễ lớn sai số ngõ chu kỳ khâu Relay lớn ngắt d.Để sai số ngõ xấp xỉ bắng ta thay đổi giá trị vùng trễ 0.Chu kỳ đóng ngắt lúc giảm xuống nhỏ.Trong thực tế , ta thực điêù khiển ON-OFF được.vì khó điều khiển động cơ.Vùng trễ lựa chọn 5/-5 hợp lý.vì sai số ngõ vừa đủ dễ điều khiển đông c) Khảo mô hình điều khiển nhiệt độ dùng phương pháp Ziegler-Nichol(điều s khiển PID): Mô hình điều khiển nhiệt độ PID sau: -Tín hiệu đặt vào đầu hàm nấc u(t)=100 -Khâu bào hòa Saturation có giới hạn upper limit=1,lower limit=0 -Tính giá trị thông số: PID(s)=KP + + KDs Với: KP = ;KI = TRANG 16 ;KD = ;K =300 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN II.A Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ động DC: Mô hình điều khiển PID tốc độ động DC TRANG 17 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN -Tín hiệu đặt vào đầu hàm nấc u(t)=100 -Khâu Saturation có giới hạn upper limit=30,lower limit= -30 a.Chỉnh thời gian mô Stop time =10s.Thực khảo sát hệ thống vơí điều khiển P (K I =0,KD =0) tính độ vọt lố,sai số xác lập,thời gian xác lập ngõ theo bảng sau: KP 50 10 20 100 POT -0,17 -0,01 0,0025 0,003 0,001 exl 0.5 0,09 0,047 0,0196 0,0099 txl 0.7 0,6 0,55 0,55 0,55 TRANG 18 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN TRANG 19 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN -Nhận xét: Khi KP tăng chất lương hệ thống tốt.Vì thơì gian xác lập nhỏ, exl , POT nhỏ, đdộ xác cao b Thực khảo sát hệ thống vơí điều khiển PI (KP =2,KD =0) tính độ vọt lố,sai số xác lập,thời gian xác lập ngõ theo baûng sau: KI 0,5 0,1 0,8 POT 0,003 0,025 0,126 0,072 0,005 exl 0.333 0,333 0,333 0,333 0,333 txl 0.5 0,5 0,65 0,7 2,7 -Nhận xeùt: Khi KI tăng chất lượng hệ thống không tốt.Vì POT,exl , txl lớn Chất lượng điều khiển PI tốt điều khiển P điều khiển PI có exl ổn định c Thực khảo sát hệ thống vơí điều khiển PID (KP =2,KI =2) tính độ vọt lố,sai số xác lập,thời gian xác lập ngõ theo bảng sau: KD 0,1 0,2 0,5 POT 0,11 0.1 0,104 0,16 exl 0.333 0,333 0,333 0,333 TRANG 20 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG txl SV : TRẦN ĐĂNG PHAN 3.4 TRANG 21 3.8 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN -Nhận xét: Khi KD tăng chất lượng hệ thống không thay đổi.Vì POT,exl , txl không đổi Chất lượng điều khiển PID tốt điều khiển P vàPI điều khiển PID ổn định TRANG 22 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN BÀI THÍ NGHIỆM 4: ỨNG DỤNG SIMULINK MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỊ NHIỆT A KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ÑOÄ : 1) Khảo sát hệ hở, nhận dạng hệ thống theo mơ hình Ziegler-Nichols: Chỉnh giá trị hàm nấc 1,thời gian mô Stop time=600s >> plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values) >> grid on %ke luoi T=120; L=30 2) Khảo sát mô hình hệ thống ổn định nhiệt , điều khiển ON – OFF TRANG 23 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN - Lò nhiệt biểu diển hai khâu quán tính nối tiếp Transfer Fcn - Sum lấy hiệu số tín hiệu đặt phản hồi - Relay khă rơle có trễ - Mux ghép kênh , cho phép cửa sổ Scope xem nhiều tín hiệu , khối Gan1 tỉ lệ tín hiệu ngỏ Relay để dễ quan sát đồ thị - Đầu vào hàm nấc : u = 1(t) ; = Đặt – Phản hồi hệ thống có dao động ổn định Vùng trễ : +0.2/-0.2 Khâu relay: ngõ cao:2 Ngõ thấp:0 TRANG 24 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN Vùng trễ : +0.2/-0.2 Khâu relay: ngõ cao:2 Ngõ thấp:-2 Vùng trễ : +0.05/-0.05 TRANG 25 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN Khâu relay: ngõ cao:2 Ngõ thấp:0 Vùng trễ : +0.05/-0.05 Khâu relay: ngõ cao:1 Ngõ thấp:0 3) Hệ thống điều khiển nhiệt độ hiệu chỉnh Ziegler – Nichols (điều khiển PID) : Tính giá trị hiệu chỉnh PID theo Ziegler – Nichols chols từ thông số L T câu Bộ hiệu chỉnh có hàm truyền PID = KP + Ki/s + Kd.s Trong : KP =(1.2*T)/L = 1.2*120/30 = 4.8 ; Ki = KP/2*L = 4.8/2*30 = 0.08 ; Kd = 0.5*KP*L = 0.5*4.8*30 = 72 ; Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh sau : TRANG 26 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN Đặt thông số KP , Ki , Kd tìm vào khối PID , chỉnh hệ số Gan1 0.3 , thời gian mô 300s TRANG 27 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN BÀI THÍ NGHIỆM 5: ỨNG DỤNG SIMULINK MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ I Khảo sát mô hình hệ thống điều khiển vị trí : Hệ thống điều khiển dung khâu hiệu chỉnh PID vị trí : a) Khảo sát hệ thóng điều khiển vị trí hiệu chỉnh PD có tính sư bảo hòa biến đổi vói ngõ vào khác : U(t) =1 Ki = 48.83 ; KP = 29 ; Kd = 2.913 Chạy mô , ta thấy tín hiệu có dạng sau : TRANG 28 ... Chất lượng điều khiển PID tốt điều khiển P vàPI điều khiển PID ổn định TRANG 22 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN BÀI THÍ NGHIỆM 4: ỨNG DỤNG SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LỊ NHIỆT... 16 ;KD = ;K =300 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG PHAN II.A Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ động DC: Mô hình điều khiển PID tốc độ động DC TRANG 17 TN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG SV : TRẦN ĐĂNG... điêù khiển ON-OFF được.vì khó điều khiển động cơ.Vùng trễ lựa chọn 5/-5 hợp lý.vì sai số ngõ vừa đủ dễ điều khiển đông c) Khảo mô hình điều khiển nhiệt độ dùng phương pháp Ziegler-Nichol (điều s khiển