Hướng dẫn sử dụng matlab simulink và ứng dụng điều khiển các hệ thống tự động

HẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ MATLAB ………………………………………………………………………………… I. Phần mềm Matlab ……………………………………………………………………………………….. II. Phạm vi ứng dụng …………………………………………………………………………………… III. Cài đặt phần mềm Matlab ………………………………………………………………………… PHẦN 2: GIỚI THIỆU VỀ MATLAB VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG………………………………………… CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MATLAB……………………………………………………………… I. Giới thiệu về Matlab.…………………………………………………………………………………… 1.1 Khởi động và Giao Diện của Matlab…………………………………………………… 1.2 Cách thức sử dụng phần mềm Matlab …………………………………………………… 1.3. Các thức viết biểu thức, sử dụng biến, các phím chức năng …………………… II. Thao tác với các tệp trong Matlab ……………………………………………………………… 2.1. Các loại tệp được dùng trong Matlab…………………………………………………… 2.2. Các lệnh xử lý tệp .mat ……………………………………………………………… 2.3. Đường dẫn …………………………………………………………………………………… 2.4. Các lệnh xử lý m. file………………………………………………………………………… CHƯƠNG 2. XỬ LÝ DỮ LIỆU DẠNG MẢNG (MA TRẬN) TRONG MATLAB……………………………… I. Các phương pháp tạo mảng dữ liệu ……………………………………………………………… 1.1 Phương pháp nhập trực tiếp từ bàn phím………………………………………… 1.2 Dùng toán tử : ………………………………………………………………………… 1.3 Dùng hàm linspace và logspace:…………………………………………………… 1.4. Sử dụng các mảng chuẩn……………………………………………………………… 1.5. Mảng tạo từ tệp………………………………………………………………………… 2 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 II. Tham chiếu tới các phần tử của mảng, tạo các mảng con……………………………… 2.1 Nguyên tắc tham chiếu tới các phần tử của mảng………………………………………… 2.2 Các ứng dụng của việc truy cập các phần tử của mảng……………………………… III. Các phép tính thực hiện trên mảng……………………………………………………………… 3.1 Các phép toán thông thường……………………………………………………………… 3.2. Sử dụng các toán tử với dấu .…………………………………………………… 3.3. Các hàm dùng trên mảng……………………………………………………………… CHƯƠNG 3. ĐỒ HỌA TRONG MATLAB………………………………………………………………………… 3.1. Những vấn đề chung………………………………………………………………………… 3.2. Đường cong biểu diễn mỗi quan hệ của các giá trị ………………………………………… 3.2.1. Đồ thị 2 chiều………………………………………………………………………… 3.2.2. Đồ thị 3 chiều (dạng lưới và bề mặt)…………………………………………………… 3.2. Tên của đồ thị…………………………………………………………………………………… 3.3. Các trục toạ độ…………………………………………………………………………………… 3.3.1. Điều khiển các trục toạ độ……………………………………………………………… 3.3.2. Các chú thích trên trục toạ độ…………………………………………………… 3.4. Các chú thích khác trên đồ thị……………………………………………………………… 3.5. Các thuộc tính của văn bản đồ hoạ……………………………………………………………… 3.5.1. Các thuộc tính của văn bản……………………………………………………………… 3.5.2. Các ký tự đặc biệt………………………………………………………………………… 3.5.3. Một số ví dụ………………………………………………………………………… 3.5.4. Các tuỳ chọn của lệnh plot……………………………………………………………… 3.6. Một số lệnh viết chữ khác………………………………………………………………………… 3.6.1 Lệnh gtext…………………………………………………………………………………… 3.6.2: Lệnh ginput………………………………………………………………………… 3.7. In ấn đồ thị …………………………………………………………………………………… CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG TRONG MATLAB…………………………………………………… I. Các loại dữ liệu dùng trong Matlab……………………………………………………………… 1. Dữ liệu số…………………………………………………………………………………… 3 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 2. Các phép tính trên số phức……………………………………………………………… 2.1 Nhập dữ liệu………………………………………………………………………… 2.2 các phép tính thực hiện trên số phức………………………………………… 2.3 Các hàm xử lý số phức…………………………………………………… 3. Dữ liệu dạng chuỗi……………………………………………………………… 3.1. Phép gán và tham chiếu đến dữ liệu dạng chuỗi…………………… 3.2. Tạo các mảng với phần tử là chuỗi………………………………………… 3.2.1 Tạo véc tơ cột các chuỗi:…………………………………………………… 3.2.2 Tạo mảng hoặc véc tơ hàng các chuỗi………………………………………… 3.3. Các hàm dùng trên chuỗi…………………………………………………… 3.3.1 Hàm chuyển đổi từ dữ liệu số sang chuỗi và ngược lại…………………… II. Nhập, xuất dữ liệu…………………………………………………………………………………… 1. Các lệnh nhập dữ liệu………………………………………………………………………… 1.1. Nhập từ bàn phím: Lệnh input…………………………………………………… 1.2. Nhập từ hộp thoại: Lệnh inputdlg………………………………………… 1.3. Nhập dữ liệu từ tệp: Lệnh fread…………………………………………………… 1.4. Lệnh fopen: ………………………………………………………………………… 1.5 Lệnh đóng tệp, fclose……………………………………………………………… 1.6 Lệnh fscanf: ………………………………………………………………………… 2. Các lệnh xuất dữ liệu………………………………………………………………………… 2.1. lệnh disp………………………………………………………………………… 2.2. Lệnh fprintf………………………………………………………………………… 2.3. Lệnh fwrite………………………………………………………………………… III. Các lệnh phân nhánh………………………………………………………………………… 1. Lệnh if…………………………………………………………………………………… 1.1 Cú pháp: Lệnh If……………………………………………………………… 1.2 Các toán tử logic……………………………………………………………… 1.3 Các hàm logíc……………………………………………………………… 2. Lệnh switch………………………………………………………………………… 4 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 IV. Các vòng lặp…………………………………………………………………………………… 1. Vòng lặp xác định: for……………………………………………………………… 2. Vòng lặp không xác định: while…………………………………………………… V. Các chương trình con……………………………………………………………… 1.Phương pháp xây dựng các hàm và chương trình con……………………………… 2. Các đối số vào, ra………………………………………………………………………… CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC BẰNG SIMULINK……………………………… I. Giới thiệu về mô phỏng số ………………………………………………………………………… 1. Ý nghĩa và tầm quan trọng của mô phỏng số………………………………………… 2. Giới thiệu về các phần mềm mô phỏng ………………………………………… II. Trình tự thực hiện một quá trình mô phỏng.…………………………………………………… 1. Xây dựng cấu trúc mô phỏng: Sơ đồ khối………………………………………… 2. Xác lập giá trị các thông số của mô hình………………………………………… 3. Xác lập các điều kiện đầu…………………………………………………………… 4. Các kích động đưa vào hệ thống…………………………………………………… 5. Lựa chọn cách thức xuất kết quả…………………………………………………… 6. Điểu khiển việc thực thi quá trình mô phỏng.………………………………………… III. Sử dụng SIMULINK trong mô phỏng các hệ động lực………………………………………… 1. Các thao tác cơ bản………………………………………………………………………… 2. Chức năng và thao tác trên các khối thông dụng……………………………… 2.1. Nhóm các khối xử lý tín hiệu liên tục………………………………………… 2.2. Nhóm các khối thực hiện việc gọi hàm từ Matlab và hàm truyền………… 2.3. Nhóm các khối thực hiện thao tác toán học (Math)…………………… 2.4. Nhóm các khối xử lý tín hiệu…………………………………………………… 2.5. Nhóm các khối thực hiện chức năng xuất kết quả (Sinks)…………………… 2.6. Nhóm các khối thực hiện chức năng nhập dữ liệu (Sources)………… PHẦN 3: ỨNG DỤNG……………………………………………………………………………………………… ỨNG DỤNG SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÒ NHIỆT………………………………………… 1.ỨNG DỤNG SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÒ NHIỆT ……………………………… 5 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 1.1. Mục đích ………………………………………………………………………… 1.2. Giới thiệu Simulink ……………………………………………………… 1.2.1. Các khối sử dụng trong bài thí nghiệm …………………………………… 1.2.2 Các bước để xây dựng ứng dụng mới…………………………………… 2.Hàm truyền lò điện và mô hình của ZieglerNichols…………………………………… 2.1 Hàm truyền lò điện ………………………………………………………………………… 2.2 Mô hình của ZieglerNichols ……………………………………………………… 2.3. Thí nghiệm ………………………………………………………………………… 2.3.1. Chuẩn bị thí nghiệm ……………………………………………………… 2.3.2. Khảo sát hệ hở lò nhiệt, nhận dạng hệ thống theo mô hình Ziegler – Nichols. ….. 2.3.3. Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON – OFF. …………………………………… 2.4 Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ PID (phương pháp Ziegler – Nichols). ………………… KIỂM SOÁT MỰC NƯỚC HỆ BỒN ĐƠN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ……………………………… 1.Giới Thiệu…………………………………………………………………………………………… 2.Nội dung……………………………………………………………………………………………… 2.1 Mô hình toán của hệ bồn đơn ……………………………………………………………… 2.2 Hệ thống điều khiển rời rạc……………………………………………………………… 2.3. Mô phỏng ……………………………………………………………………………… 2.4. Điều khiển hệ bồn đơn dùng bộ điều khiển PID……………………………………… 2.5. Kết quả thực tế ……………………………………………………………………… 3. Kết luận……………………

lOMoARcPSD|2935381 BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH & XÃ HỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VĨNH LONG ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hướng dẫn sử dụng MATLAB & Simulink ứng dụng điều khiển hệ thống tự động Môn học: Đồồ án Điềồu khiển Họ tên: MAI LÊ THÀNH NHÂN MSSV: 18007023 Giáo viên hướng dẫn: LÊ MINH THÀNH Vĩnh Long, tháng 12 năm 2021 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN - Ý thức thực hiện: ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… - Nội dung thực hiện: ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… - Hình thức trình bài: ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… - Tổng hợp kết quả:  Tổ chức báo cáo trước hội đồng  Tổ chức chấm thuyết minh Vĩnh Long, Ngày … Tháng … Năm 2021 Người Hướng Dẫn LÊ MINH THÀNH Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 LỜI CÁM ƠN Trong lời đâu tiên báo cáo đồ án học phần này, em muốn gửi nhũng lời cám ơn biết ơn trân thành tới tất người hỗ trợ giúp đỡ em kiến thức tinh thần trình thực đồ án Trước hết, em xin chân thành cám ơn thầy Lê Minh Thành, người trực tiếp hướng dẫn, nhận xét, tận tình bảo, giúp đỡ em suốt trình làm đồ án, để em hồn thiện đồ án cách tốt Xin chân thành cảm ơn tới tất thầy nhiệt tình dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho chúng em suốt thời gian học tập máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long, đặc biệt với thầy cô Khoa Điện- Điện tử, thầy cô quan tâm , định hướng tạo điều khiện thuận lợi cho em học tập, nghiên cứu thực đồ án Em cố gắng để hoàn thiện Đồ án cách tốt nhất, hạn chế thơi gian kiến thức nên tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp thầy bạn Xin chân thành cám ơn! Vĩnh Long, Ngày … Tháng … Năm 2021 Sinh Viên (Người thực đồ án) MAI LÊ THÀNH NHÂN Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 MỤC LỤC Trang NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN LỜI CÁM ƠN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ MATLAB ………………………………………………………………………………… I Phần mềm Matlab ……………………………………………………………………………………… II Phạm vi ứng dụng …………………………………………………………………………………… III Cài đặt phần mềm Matlab ………………………………………………………………………… PHẦN 2: GIỚI THIỆU VỀ MATLAB VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG………………………………………… CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MATLAB……………………………………………………………… I Giới thiệu Matlab.…………………………………………………………………………………… 1.1 Khởi động Giao Diện Matlab…………………………………………………… 1.2 Cách thức sử dụng phần mềm Matlab …………………………………………………… 1.3 Các thức viết biểu thức, sử dụng biến, phím chức …………………… II Thao tác với tệp Matlab ……………………………………………………………… 2.1 Các loại tệp dùng Matlab…………………………………………………… 2.2 Các lệnh xử lý tệp mat ……………………………………………………………… 2.3 Đường dẫn …………………………………………………………………………………… 2.4 Các lệnh xử lý m file………………………………………………………………………… CHƯƠNG XỬ LÝ DỮ LIỆU DẠNG MẢNG (MA TRẬN) TRONG MATLAB……………………………… I Các phương pháp tạo mảng liệu ……………………………………………………………… 1.1 Phương pháp nhập trực tiếp từ bàn phím………………………………………… 1.2 Dùng tốn tử " : "………………………………………………………………………… 1.3 Dùng hàm linspace logspace:…………………………………………………… 1.4 Sử dụng mảng chuẩn……………………………………………………………… 1.5 Mảng tạo từ tệp………………………………………………………………………… Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 II Tham chiếu tới phần tử mảng, tạo mảng con……………………………… 2.1 Nguyên tắc tham chiếu tới phần tử mảng………………………………………… 2.2 Các ứng dụng việc truy cập phần tử mảng……………………………… III Các phép tính thực mảng……………………………………………………………… 3.1 Các phép tốn thơng thường……………………………………………………………… 3.2 Sử dụng tốn tử với dấu "."…………………………………………………… 3.3 Các hàm dùng mảng……………………………………………………………… CHƯƠNG ĐỒ HỌA TRONG MATLAB………………………………………………………………………… 3.1 Những vấn đề chung………………………………………………………………………… 3.2 Đường cong biểu diễn quan hệ giá trị ………………………………………… 3.2.1 Đồ thị chiều………………………………………………………………………… 3.2.2 Đồ thị chiều (dạng lưới bề mặt)…………………………………………………… 3.2 Tên đồ thị…………………………………………………………………………………… 3.3 Các trục toạ độ…………………………………………………………………………………… 3.3.1 Điều khiển trục toạ độ……………………………………………………………… 3.3.2 Các thích trục toạ độ…………………………………………………… 3.4 Các thích khác đồ thị……………………………………………………………… 3.5 Các thuộc tính văn đồ hoạ……………………………………………………………… 3.5.1 Các thuộc tính văn bản……………………………………………………………… 3.5.2 Các ký tự đặc biệt………………………………………………………………………… 3.5.3 Một số ví dụ………………………………………………………………………… 3.5.4 Các tuỳ chọn lệnh plot……………………………………………………………… 3.6 Một số lệnh viết chữ khác………………………………………………………………………… 3.6.1 Lệnh gtext…………………………………………………………………………………… 3.6.2: Lệnh ginput………………………………………………………………………… 3.7 In ấn đồ thị …………………………………………………………………………………… CHƯƠNG LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG TRONG MATLAB…………………………………………………… I Các loại liệu dùng Matlab……………………………………………………………… Dữ liệu số…………………………………………………………………………………… Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Các phép tính số phức……………………………………………………………… 2.1 Nhập liệu………………………………………………………………………… 2.2 phép tính thực số phức………………………………………… 2.3 Các hàm xử lý số phức…………………………………………………… Dữ liệu dạng chuỗi……………………………………………………………… 3.1 Phép gán tham chiếu đến liệu dạng chuỗi…………………… 3.2 Tạo mảng với phần tử chuỗi………………………………………… 3.2.1 Tạo véc tơ cột chuỗi:…………………………………………………… 3.2.2 Tạo mảng véc tơ hàng chuỗi………………………………………… 3.3 Các hàm dùng chuỗi…………………………………………………… 3.3.1 Hàm chuyển đổi từ liệu số sang chuỗi ngược lại…………………… II Nhập, xuất liệu…………………………………………………………………………………… Các lệnh nhập liệu………………………………………………………………………… 1.1 Nhập từ bàn phím: Lệnh input…………………………………………………… 1.2 Nhập từ hộp thoại: Lệnh inputdlg………………………………………… 1.3 Nhập liệu từ tệp: Lệnh fread…………………………………………………… 1.4 Lệnh fopen: ………………………………………………………………………… 1.5 Lệnh đóng tệp, fclose……………………………………………………………… 1.6 Lệnh fscanf: ………………………………………………………………………… Các lệnh xuất liệu………………………………………………………………………… 2.1 lệnh disp………………………………………………………………………… 2.2 Lệnh fprintf………………………………………………………………………… 2.3 Lệnh fwrite………………………………………………………………………… III Các lệnh phân nhánh………………………………………………………………………… Lệnh if…………………………………………………………………………………… 1.1 Cú pháp: Lệnh If……………………………………………………………… 1.2 Các toán tử logic……………………………………………………………… 1.3 Các hàm logíc……………………………………………………………… Lệnh switch………………………………………………………………………… Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 IV Các vòng lặp…………………………………………………………………………………… Vòng lặp xác định: for……………………………………………………………… Vịng lặp khơng xác định: while…………………………………………………… V Các chương trình con……………………………………………………………… 1.Phương pháp xây dựng hàm chương trình con……………………………… Các đối số vào, ra………………………………………………………………………… CHƯƠNG MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC BẰNG SIMULINK……………………………… I Giới thiệu mô số ………………………………………………………………………… Ý nghĩa tầm quan trọng mô số………………………………………… Giới thiệu phần mềm mô ………………………………………… II Trình tự thực q trình mơ phỏng.…………………………………………………… Xây dựng cấu trúc mô phỏng: Sơ đồ khối………………………………………… Xác lập giá trị thơng số mơ hình………………………………………… Xác lập điều kiện đầu…………………………………………………………… Các kích động đưa vào hệ thống…………………………………………………… Lựa chọn cách thức xuất kết quả…………………………………………………… Điểu khiển việc thực thi trình mơ phỏng.………………………………………… III Sử dụng SIMULINK mơ hệ động lực………………………………………… Các thao tác bản………………………………………………………………………… Chức thao tác khối thông dụng……………………………… 2.1 Nhóm khối xử lý tín hiệu liên tục………………………………………… 2.2 Nhóm khối thực việc gọi hàm từ Matlab hàm truyền………… 2.3 Nhóm khối thực thao tác tốn học (Math)…………………… 2.4 Nhóm khối xử lý tín hiệu…………………………………………………… 2.5 Nhóm khối thực chức xuất kết (Sinks)…………………… 2.6 Nhóm khối thực chức nhập liệu (Sources)………… PHẦN 3: ỨNG DỤNG……………………………………………………………………………………………… ỨNG DỤNG SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÒ NHIỆT………………………………………… 1.ỨNG DỤNG SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÒ NHIỆT ……………………………… Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 1.1 Mục đích ………………………………………………………………………… 1.2 Giới thiệu Simulink ……………………………………………………… 1.2.1 Các khối sử dụng thí nghiệm …………………………………… 1.2.2 Các bước để xây dựng ứng dụng mới…………………………………… 2.Hàm truyền lò điện mơ hình Ziegler-Nichols…………………………………… 2.1 Hàm truyền lị điện ………………………………………………………………………… 2.2 Mơ hình Ziegler-Nichols ……………………………………………………… 2.3 Thí nghiệm ………………………………………………………………………… 2.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm ……………………………………………………… 2.3.2 Khảo sát hệ hở lị nhiệt, nhận dạng hệ thống theo mơ hình Ziegler – Nichols … 2.3.3 Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ ON – OFF …………………………………… 2.4 Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ PID (phương pháp Ziegler – Nichols) ………………… KIỂM SOÁT MỰC NƯỚC HỆ BỒN ĐƠN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ……………………………… 1.Giới Thiệu…………………………………………………………………………………………… 2.Nội dung……………………………………………………………………………………………… 2.1 Mơ hình tốn hệ bồn đơn ……………………………………………………………… 2.2 Hệ thống điều khiển rời rạc……………………………………………………………… 2.3 Mô ……………………………………………………………………………… 2.4 Điều khiển hệ bồn đơn dùng điều khiển PID……………………………………… 2.5 Kết thực tế ……………………………………………………………………… Kết luận……………………………………………………………………………………………… Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 PHẦN 1: SƠ LƯỢC VỀ MATLAB I Phần mềm Matlab kết biểu thức với liệu đầu MATLAB phần mềm ứng dụng tập đoàn Mathworks (Mỹ) Đây phần mềm xử lý toán học mạnh, thơng qua việc thực phép tốn ma trận (MAT - Matrix), chuyên gia toán học máy tính lập trình thuật giải thơng qua thư viện cơng cụ xử lý tốn học (LAB - Laboratory) Phần mềm cung cấp nhiều modulee khác nhau, phục vụ cho lĩnh vực, chuyên ngành cụ thể vào véc tơ Matlab cung cấp hàm để giải vấn đề thường gặp kỹ thuật như: +Xử lý đa thức (nhân, chia, tìm điểm (nghiệm) đa thức) + Giải phương trình tổng quát + Giải hệ phương trình tuyến tính + Giải hệ phương trình vi phân + Xử lý tín hiệu đo phép khai triển furier nhanh - Định hướng phần mềm Matlab dùng cho cán nghiên cứu, thiết kế lập trình + Các phép nội suy để xử lý liệu bảng + Thuật giải toán tối ưu - Đối với ngơn ngữ lập trình thơng thường để giải toán học người ta phải thực qua bước sau: + Phép tích phân vi phân + Công cụ đồ hoạ +Xây dựng mơ hình học → Xây dựng mơ hình tốn học → áp dụng phương pháp toán Mat lab cung cấp cơng cụ lập trình để xây dựng chương trình ứng dụng +Xây dựng thuật tốn → Lập trình Ngồi cịn có module ứng dụng riêng phục vụ cho nghiên cứu sâu như: - Trong Matlab ta không cần quan tâm nhiều đến việc sử dụng phương pháp tốn + Giải phương trình vi phân đạo hàm riêng phục vụ để giải toán bền dùng phương pháp phần tử hữu hạn II Phạm vi ứng dụng + Simulink cho phép mô cấu máy Matlab đóng vai trị cơng cụ tính tốn mạnh cho phép nhanh chóng tính trị số + Stateflow: để nghiên cứu dòng chảy khí hay chất lỏng biểu thức phức tạp lưu giữ trị số biểu thức vào nhớ máy tính + Fuzzy logic: nghiên cứu lơgic mờ Malab cung cấp công cụ xử lý mảng + …v.v liệu: véc tơ ma trận, cho phép tính tốn III Cài đặt phần mềm Matlab Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Sau tải về, bạn tiến hành giải nén tệp tin với WinRAR phiên Với MATLAB 2021, quy trình cài đặt tương tự MATLAB 2020, bạn tiến hành thực bước sau Bước 1: Gán File iso MATLABv9.10R2021a_Win64.iso vào ổ đĩa ảo (nhấn chuột phải vào file > Mount (Gán)) Bước 2: Chạy setup.exe > Advanced Options > I have a File Installation Key Bước 4:Select License File: license.lic license_standalone.lic thư mục “MATLAB Licenses” tải Chọn thành phần bạn cần cài đặt: Select products, bạn cần - 32GB ổ cứng để cài toàn thành phần - 3GB cài “MATLAB” Bước 5: Chọn Add shortcut to desktop để thêm lõi tắt MATLAB Desktop Bước 6: Chờ cho trình cài đặt hoàn tất Bước 7: Sau cài đặt thành công, bạn copy file “libmwlmgrimpl.dll” “MATLAB Licenses” tới thư mục cài đặt MATLAB \bin\win64\matlab_st artup_plugins\lmgrimpl thay file cũ để hồn tất kích hoạt Bước 3: Nhập Enter File Installation Key 09806-07443-53955-64350-21751-41297 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 trường nung, ta tính hàm truyền lị bậc nhất, có dạng sau: bao gồm khâu quán tính hệ số khuếch đại K số thời gian T, khâu trễ thời gian L, thơng số lấy kẻ tiếp tuyến điểm uốn cho đồ thị độ hàm nấc hình vẽ bên Hệ số khuếch đại K tính sau: Trong đó: P: cơng suất cung cấp Khi nhiệt độ ban đầu khác không, K tính từ độ tăng nhiệt độ đầu so với mơi trường Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Taylor e-LS, hàm truyền trở nên : θ: độ tăng nhiệt nhiệt độ đầu so với nhiệt độ môi trường K: hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ vào chế độ xác lập T: số thời gian, thể quán tính nhiệt hệ thống gần đúng, hệ thống có bậc cao Tóm lại, Ziegler-Nichols xấp xỉ hàm truyền lị với hệ bậc có trễ hay hệ tuyến tính bậc hai, cho phép tìm hàm truyền thực nghiệm vẽ trình độ hệ thống với đầu vào hàm nấc 2.3 Thí nghiệm trình q độ đầu vào hàm nấc khơng có 2.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm q điều chỉnh, có dạng hình sau cho Sinh viên phải chuẩn bị kiến thức sau trước bước vào thí nghiệm: 2.2 Mơ hình Ziegler-Nichols Mơ hình hàm truyền lị điện cho thấy q trình q độ với đầu vào hàm nấc có dạng hàm mũ Thực tế cho thấy mơ hình lị nhiệt nhiệt độ đầu -Tìm hiểu sơ lược Matlab Simulink -Mơ tả tốn học hệ thống điều khiển tự động, đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tự động -Mơ hình hóa đối tượng xác định thơng số điều khiển PID theo phương pháp thứ Ziegler – Nichols -Phương pháp điều khiển on-off Ưu khuyết điểm điều khiển on-off so với điều khiển sớm trễ pha hay PID -Phương pháp điều khiển PID Ưu khuyết điểm Hình 1.12 Xác định thống số L, T điều khiển PID Cách hiệu chỉnh thông số Theo Ziegler-Nichols hệ thống PID dựa vào đáp ứng độ tín hiệu biểu diễn dạng hàm vào hàm nấc đơn vị truyền sau : 2.3.2 Khảo sát hệ hở lị nhiệt, nhận dạng hệ thống theo mơ hình Ziegler – Nichols Mục đích 52 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Đặc trưng lò nhiệt khâu quán tính nhiệt Từ bắt đầu cung cấp lượng đầu vào cho lò nhiệt, nhiệt độ lò bắt đầu tăng lên từ từ Để nhiệt độ lò đạt tới giá trị nhiệt độ cần nung thường phải khoảng thời gian dài Đây đặc tính qn tính lị nhiệt Khi tuyến tính hố mơ hình lị nhiệt, ta xem hàm truyền lị nhiệt khâu qn tính bậc khâu quán tính bậc nối tiếp với khâu trễ Trong thí nghiệm ta xem mơ hình lị nhiệt khâu qn tính bậc Bước 3: Nhấp chuột vào Parameters, vào trang Data History tiến hành cài đặt thơng số hình bên dưới: Trong phần này, sinh viên khảo sát khâu quán tính bậc cho trước Dùng phương pháp Ziegler-Nichols nhận dạng hệ thống sau xây dựng lại hàm truyền So sánh giá trị thơng số hàm truyền vừa tìm với khâu quán tính bậc cho trước -Bước 5: Double click vào khối Scope Cửa sổ Scope sau Hình 1.14 Cài đặt thơng số mơ hình khảo sát -Bước 4: Nhấn Run để mơ q trình Trình tự thí nghiệm - Bước Dùng SIMULINK để xây dựng mơ hình lị nhiệt vịng hở sau Hình 1.15 Cửa sổ Scope - Bước 6: Vào cửa sổ Command Window để nhập dòng lệnh sau >>plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.valu es) % Vẽ lại đáp ứng >> grid on % Kẻ lưới (chú ý, cần chạy lại mơ hình) Hình 1.13 Mơ hình khảo sát vịng hở Trong đó: - Bước 7: Lúc cửa sổ Figure với hình vẽ giống hình vẽ cửa sổ Scope +Step: tín hiệu hàm nấc thể phần trăm cơng suất cung cấp cho lị nhiệt Vào menu Insert/Line, Insert/Text để tiến hành kẽ tiếp tuyến thích cho hình vẽ Giá trị hàm nấc từ 0‚1 tương ứng công suất cung cấp 0%‚100% Kết cuối hình bên dưới: +Transfer Fcn – Transfer Fcn1: mơ hình lị nhiệt tuyến tính hóa +Đầu Transfer Fcn1 nhiệt độ thực lò, đưa vào Scope để quan sát Bước Chỉnh giá trị hàm nấc: Step time = 0; Initial value = 0; Final value = 1; Chỉnh thời gian mô Stop time = 600s 53 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 1.16 Cửa sổ Figure-xác định hệ số L,T hệ thống Nguyên lý điều khiển on-off(dùng khâu rơle có trễ) -Bước 8: Vào menu [File]→[Export] để lưu thành file *.bmp -Bước 9: Dựa vào đáp ứng ta có L ≈18, T≈177 Dựa vào đáp ứng xác định trị số L, T -Để xác định xác trị số L, T ta làm sau: Trên sở flide ScopeData → chọn Hide plot tools → Ticks….→ Edid Axes Ticks → X Axis (chọn step by = 10, 20…); Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý điều khiển on-of Phương pháp điều khiển on-of gọi phương pháp đóng ngắt hay dùng khâu rơle có trễ: cấu chấp hành đóng nguồn để cung cấp cho lượng mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nhiệt độ đặt θ đặt lớn nhiệt độ lò θ phản hồi, ngược lại mạch điều khiển ngắt mạch cung cấp lượng nhiệt độ đặt nhỏ nhiệt độ thực lò Y Axis (chọn step by = 10, 20…) Khi xuất lưới vẽ cho phép xác định xác trị số L, T + Giá trị mặc định Một vùng trễ đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt sơ đồ khối trên: nguồn đóng sai lệch nhiệt độ e lớn lượng ∆ ngắt e bé ∆ Như + Giá trị cài đặt vậy, nhiệt độ phản hồi θ phản hồi dao động quanh giá trị đặt θ đặt 2∆ gọi vùng trễ rơle Khâu rơle có trễ cịn gọi mạch so sánh Smith mạch điện tử, ∆ giá trị thềm hay ngưỡng Điều khiển on-of có ưu điểm là: -Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắn, hệ thống hoạt động với tải 2.3.3 Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ ON – OFF -Tính tốn thiết kế phức tạp cân chỉnh dễ dàng Mục đích Nhưng có khuyết điểm sai số xác lập lớn hệ cân động quanh nhiệt độ đặt thay đổi theo tải Khuyết điểm hạn chế giảm vùng trễ cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử mạch cơng suất Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ ONOFF, xét ảnh hưởng rơle có trễ 54 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Bước 3: Nhấn Run để mô trình Việc điều khiển nhiệt độ với chất lượng cao thực sơ đồ điều khiển tuyến Khi vùng trễ: +1 / -1; thời gian mô biến đổi, bước mơ 0.00001 tính với hàm truyền hiệu chỉnh thích hợp Trình tự thí nghiệm Bước 1: Dùng SIMULINK để xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ on – off sau: Hình 1.19 a Mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ với Gian=120 b Đặc tính độ vùng trễ là: +1/-1 Hình 1.18 Mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ Trong đó: STT Đại lượng Đáp ứng độ Cmax Lượng điều chỉnh (σmax%) Sai lệch điều chỉnh ∆e1= Sai lệch điều chỉnh ∆e2= Chu kỳ đóng cắt (T) Khi vùng trễ: +5 / -5 -Step: tín hiệu hàm nấc thể nhiệt độ đặt lò -Transfer Fcn – Transfer Fcn1: mơ hình lị nhiệt tuyến tính hóa -Khối Relay điều khiển ON-OFF -Ngõ Transfer Fcn1 nhiệt độ thực lò, đưa vào Scope để quan sát -Hệ có hồi tiếp âm đơn vị -Khối Gain dùng để khuếch đại tín hiệu ngõ khối Relay để quan sát cho rõ Lưu ý giá trị không làm thay đổi cấu trúc hệ thống mà hỗ trợ việc quan sát tín hiệu Bước 2: Chỉnh giá trị hàm nấc: Step time =0, Initial value = 0, Final value = 100, giá trị khối Gain = 50 Chỉnh thời gian mô Stop time = 600s Chỉnh thông số khối Relay theo bảng sau: Vùng trễ ( Switch on /off point) +1 / -1 +5 / -5 +10 / -10 +20 / -20 Ngõ cao (Output when on) (công suất 100%) (công suất 100%) (công suất 100%) (công suất 100%) Giá trị 117 Ghi 17% 17 -3 5,2 Hình 1.20 a Mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ với Gian=120 Ngõ thấp (Output when off) (công suất 0%) (công suất 0%) (cơng suất 0%) (cơng suất 0%) b Đặc tính độ vùng trễ là: +5/-5 STT Đại lượng Đáp ứng độ Cmax 120 Lượng điều chỉnh 20% (σmax%) Sai lệch điều chỉnh 20 55 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) Giá trị Ghi lOMoARcPSD|2935381 b Đặc tính độ vùng trễ là: +10/-10 ∆e1= Sai lệch điều chỉnh -8 ∆e2= Chu kỳ đóng cắt (T) 3,2 Khi vùng trễ: +10 / -10 STT Đại lượng Giá Ghi trị Đáp ứng độ 133 Cmax Lượng điều 33% chỉnh (σmax%) Sai lệch điều 33 chỉnh ∆e1= Sai lệch điều -12 chỉnh ∆e2= Chu kỳ đóng cắt 2,2 (T) Bước 4: Kết luận: -Khi vùng trễ khâu roley tăng đáp ứng độ Cmax, lượng điều chỉnh (σ max%), Sai lệch điều chỉnh tăng số lần dao động (n) giảm -Để sai số đầu xấp xỉ ta phải cho vùng trễ tiến 0, chu kì đóng ngắt lúc xấp xỉ Hình 1.21 a Mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ với Gian=120 b Đặc tính độ vùng trễ là: +10/-10 STT Đại lượng Đáp ứng độ 125 Cmax Lượng chỉnh (σmax%) Sai lệch điều chỉnh 25 ∆e1= Giá trị Ghi -Trong thực tế ta dường thực điều khiển vậy, giai đoạn xác lập điều khiển phải đóng ngắt liên tục Ta nên lựa chọn vùng trễ thích hợp để có dung hịa sai số chu kì đóng ngắt, sai số khơng q lớn điều khiển khơng phải đóng ngắt liên tục để tăng tuổi thọ điều 25% 2.4 Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ PID (phương pháp Ziegler – Nichols) Sai lệch điều chỉnh -12 ∆e2= 1.Mục đích Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ Chu kỳ đóng cắt (T) 2,4 dùng điều khiển PID, thơng số PID tính theo phương pháp ZieglerNichols Từ so sánh chất lượng hệ Khi vùng trễ: +20 / -20 thống điều khiển PID với điều khiển ON-OFF 2.Nguyên lý điều khiển tuyến tính: Khác với nguyên lý on-of có hai giá trị cơng suất đầu ra, sơ đồ điều khiển tuyến tính cung cấp cơng suất cho tải thay đổi cách liên tục theo sai lệch nhiệt độ đặt nhiệt độ thực Bộ hiệu chỉnh xử lý tín hiệu sai Hình 1.22 a.Mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ với Gian=120 56 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 lệch đặt - phản hồi, cho tín hiệu điều khiển làm sai lệch tiến zero với đặc tính độ mong muốn Như chế độ xác lập, nhiệt độ lò cơng suất cung cấp cho lị có giá trị xác lập, phụ thuộc vào đặc tính hệ thống khoảng giây, thí nghiệm có thị hệ số a theo đơn vị % gọi %công suất Trình tự thí nghiệm - Bước 1: Dùng SIMULINK để xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ PID sau: Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào thông số sơ đồ hiệu chỉnh Một nguyên lí hiệu chỉnh thường dùng PID (vi phân tích phân tỉ lệ), thí nghiệm ta dùng P (điều khiển tỉ lệ) khơng thể thực thời mạch vi tích phân (ở có trị số lớn) mạch analog Hình 1.24 Mơ hình hệ thống PID điều khiển nhiệt độ Trong đó: - Step: tín hiệu hàm nấc thể nhiệt độ đặt lò Như vậy, khâu hiệu chỉnh mạch khuếch đại có hệ số thích hợp, dung hồ độ xác chất lượng độ tăng hệ số khuếch đại, sai số giảm xuất dao động vọt lố ngõ - Transfer Fcn -Transfer Fcn1: mơ hình lị nhiệt tuyến tính hóa - Khối PID điều khiển PID Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tuyến tính sau: - Khâu bão hịa Saturation tín hiệu điều khiển - Ngõ Transfer Fcn1 nhiệt độ thực lò, đưa vào Scope để quan sát - Khối Gain dùng để khuếch đại tín hiệu ngõ khối Rolay để quan sát cho rõ Lưu ý giá Hình 1.23 Sơ đồ hệ thống điều khiển tuyến tính trị không làm thay đổi cấu trúc hệ thống mà hỗ trợ việc quan sát tín hiệu HC: hàm truyền hiệu chỉnh, thí nghiệm khuếch đại - Bước 2: Chỉnh giá trị hàm nấc: Step time = 0, Initial value =0, Final value =100, giá trị khối Gain=50, khâu bão hòa Saturation có giới hạn upper limit=1, lower limit=0 tượng trưng ngõ điều khiển có cơng suất cung cấp từ 0% đến 100% Phương pháp điều khiển công suất dùng điều rộng xung Tải nhận công suất khoảng Ton chu kì T khơng đổi Cơng suất tải điều khiển cách - Bước 3: Tính tốn giá trị Tính giá trị thông số Kp, Ki, Kd khâu PID theo phương pháp Ziegler-Nichols từ thông số L T tìm thay đổi độ rộng xung tương đối a: A=Ton/T Và công suất cung cấp cho tải : P=a*Pmax Pmax: công suất cực đại ứng với trường hợp L ≈18; a=1, phần tử điều khiển công suất TRIAC T≈177; đóng mạch liên tục K=300 a) Tính giá trị Kp, Ki, Kd theo L, T, K: Vì TRIAC ngắt mạch dịng qua zero, chu kì T phải đủ lớn TRIAC dẫn điện nhiều chu kì điện áp lưới (tần số lưới điện 50 Hz) Trong thí nghiệm, T (Khi vùng trễ: +1/-1; gain=50) Tính được: 57 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Kp=1.2T/LK=0.0393; Kd=0.5KpL/K=1.18*10-3 Ki=Kp/2LK=3.642*10-6; *Nhận xét: Ta thấy tín hiệu ngõ trường hợp khơng dao động xung quanh tín hiệu đặt điều khiển ONOFF mà ngõ xác lập số Tuy nhiên, giá trị có sai số so với tín hiệu đặt Chất lượng trình điều khiển có nhiều ưu điểm so với phương pháp điều khiển ON-OFF Hình 1.25 Đặc tính q độ điều khiển tuyến tính KIỂM SỐT MỰC NƯỚC HỆ BỒN ĐƠN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ Mô hình hệ bồn nước sử dụng phổ biến phịng thí nghiệm điều khiển Các giải thuật điều khiển thường áp dụng cho mơ hình điều khiển PID, điều khiển mờ… Điều khiển PID có nhiều ưu điểm thông dụng công nghiệp, không cần biết cấu trúc hệ thống mà điều chỉnh thực tế Do đó, báo đề cập điều khiển PID Bài viết khảo sát thay đổi giá trị PID để kiểm tra mơ hình đơn giản dùng cho sinh viên thực tập phịng thí nghiệm điều khiển Trường Sư phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Mục đích báo trình bày việc thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc dùng phương pháp PID số mô điều khiển mơ hình thực “Hệ thống điều khiển kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” 1.Giới Thiệu tỷ lệ (Proportional), khâu tích phân (Integral) khâu vi phân (Derivative) khơng làm tín hiệu bị đứt đoạn Vì vậy, tín hiệu ngõ tín hiệu liên tục Trong lĩnh vực điện - điện tử, điều khiển PID sử dụng phổ biến Bộ điều khiển PID thiết kế hai dạng gồm thiết kế điều khiển liên tục thiết kế điều khiển rời rạc Trong viết này, mơ “Kiểm sốt mực nước hệ bồn đơn” thực phần mềm Matlab thiết kế dạng rời rạc Đồng thời viết này, tác giả xây dựng mơ hình thực “Hệ thống kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” điều khiển vi xử lý Arduino để quan sát tính ổn định hệ thống thay đổi giá trị PID Hình Bộ điều khiển PID kinh điển Tín hiệu ngõ vào điều khiển tín hiệu liên tục Thuật toán điều khiển khâu 2.Nội dung 58 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 2.1 Mơ hình tốn hệ bồn đơn Bộ điều khiển PID liên tục dần thay điều khiển PID số Hệ thống điều khiển rời rạc có nhiều ưu điểm dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển, áp dụng thuật toán điều khiển phức tạp cách lập trình Có nhiều sơ đồ điều khiển khác áp dụng cho hệ rời rạc, sơ đồ điều khiển thơng dụng hiệu chỉnh nối tiếp với điều khiển G C(z) điều khiển sớm trễ pha số, PID số… Hàm truyền kín hệ thống rời rạc có dạng Phương trình vi phân mơ tả hệ thống bồn nước đơn Hình Hàm truyền kín hệ thống rời rạc Cần xác định hàm truyền G C(z) để hệ thống thỏa mãn yêu cầu độ ổn định, chất lượng độ, sai số xác lập Hệ thống “Kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” thiết kế mô hệ thống điều khiển rời rạc dùng phương pháp thiết kế điều khiển PID số 2.2 Hệ thống điều khiển rời rạc Vào trước năm 1960, vi xử lý chưa phát triển, hầu hết hệ thống tự động thiết kế hệ thống điều khiển liên tục Hệ thống điều khiển liên tục điều khiển mạch điện tử mạch tỷ lệ, mạch tích phân, mạch vi phân Các mạch tỷ lệ, tích phân, vi phân sở điều khiển PID Hình khái niệm điều khiển PID liên tục đời Nhưng từ sau năm 1960, người ta bắt đầu điều khiển hệ thống theo dạng số hóa dùng vi xử lý, điều khiển đại thiết kế áp dụng nhiều Để đáp ứng yêu cầu tại, người ta thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc hay gọi điều khiển số để phù hợp điều khiển vi xử lý Hàm truyền điều khiển PID số có dạng Trong T thời gian lấy mẫu (đơn vị giây) 59 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Các giá trị KP, KI , KD thống KP lựa chọn phương pháp thực nghiệm Điều khiển vi phân KD có tác dụng làm tăng ổn định hệ thống, giảm vọt lố cải thiện đáp ứng độ Các giá trị KP, KD KI lựa chọn theo kinh nghiệm Bảng tóm tắt bên 2.3 Mơ Hệ thống “Kiểm sốt mực nước hệ bồn đơn” thiết kế mô phần mềm Matlab Simulink theo phương trình tốn học (1), (2) Bảng Ảnh hƣởng việc tăng thông số độ lợi điều khiển PID Hình Mơ điều khiển PID số cho bồn đơn Matlab Simulink Các thơng số đại lượng mơ hình tốn (1), (2) trình bày Bảng lựa chọn dựa mơ hình thực tế mà tác giả thiết kế Mô thực so sánh ngõ hệ thống Hình thay đổi giá trị điều khiển PI số, PD số, PID số điểm đặt xác định mà cụ thể cm Hệ thống mô với tham số cho ba điều khiển PI, PD PID Bảng Thông số đại lƣợng mô hình tốn (1), (2) Điều khiển tỉ lệ KP có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên không loại bỏ sai số xác lập Điều khiển tích phân KI loại bỏ sai số xác lập làm đáp ứng độ không tốt 60 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình Hoạt động khâu hiệu chỉnh PI số, PD số, PID số điểm đặt cm biên độ dao động nhỏ, bám quanh điểm làm việc Chung quy, điều khiển PID số cho kết ngõ hệ thống ổn định nhất, đảm bảo mực nước dao động điểm đặt cm 2.4 Điều khiển hệ bồn đơn dùng điều khiển PID Mơ hình hệ thống “Điều khiển kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” thực tế thiết kế linh kiện điều khiển Hình Chương trình điều khiển lập trình phần mềm Arduino IDE Các thông số KP, KI , KD lựa chọn chương trình Động bơm bảo vệ diode chỉnh lưu 1N5407 A 800 V Cực dương động bơm DC nối với Cathode diode chỉnh lưu 1N5407 Cảm biến siêu âm đọc giá trị trả từ mực nước bồn vi điều khiển Arduino Vi điều khiển xử lý, truyền tín hiệu cho cầu H, cầu H điều xung cho động bơm để đạt đến điểm đặt Cụ thể bắt đầu bơm, xung cấp lớn để động hoạt động với điện áp lớn nhất, đạt gần điểm đặt mà cụ thể cm xung cấp giảm, điện áp giảm Với điểm đặt khác thơng số KP, KI , KD lựa chọn khác Song song với đó, tiết diện xả van tố định thông số KP, KI , KD Các yếu tố hệ số xả van, điểm đặt cần xác định để lựa chọn thông số KP, KI , KD cho hệ thống hoạt động ổn định Tín hiệu nhiễu ngõ hệ thống Hình đưa vào mơ để kiểm tra tính ổn định hệ thống điểm đặt cm với điều khiển PID, PI PD Hình Mơ hệ thống với tín hiệu nhiễu ngõ Ngõ hệ thống điểm làm việc cm có tín hiệu tạo nhiễu thể Hình Hình Hoạt động khâu hiệu chỉnh PI số, PD số, PID số điểm đặt cm có nhiễu Qua Hình 6, đưa tín hiệu nhiễu vào hệ thống khâu I có tác dụng kiềm chế dao động Khi loại bỏ khâu I, với điều khiển PD ngõ hệ thống dao động nhiều, biên độ dao động lớn Bộ điều khiển PID xuất nhiễu có 61 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 hiệu đọc xuất sai lệch Đồng thời, trường hợp vi xử lý khơng tính tốn nhanh khơng kịp xuất tín hiệu điều khiển chu kì lấy mẫu điều khiển (tức thời gian lấy mẫu T) Thời gian lấy mẫu T = 0,1 giây Tức sau 0,1 giây giá trị mức nước bồn trả để xử lý xuất tín hiệu điều khiển chu kì lấy mẫu 2.5 Kết thực tế Qua trình thí nghiệm hệ thống “Kiểm sốt mực nước hệ bồn đơn”, so sánh ba điều khiển số PI, PD, PID Kết thu thể Hình Hình Hình Mơ hình thực tế hệ thống Vi xử lý Arduino Uno R3; Cầu H L298N; Cảm biến siêu âm HC-SR05; Động bơm nước 12 VDC; Hình Kết thu thập từ mơ hình thực tế với điểm đặt h = cm Bồn nước mica; Van xả đường kính mm; Can nhựa lít chứa nước; Adapter 220 VAC/12 VDC; Ống nước; 10 Dây cáp Trong q trình thí nghiệm, điểm đặt xác định cm, khóa van xả điều chỉnh với tiết diện xả thiết kế bồn nước so sánh kết điều khiển PI số, PD số, PID số đảm bảo tính xác Hình Kết thu thập từ mơ hình thực tế với điểm đặt h = cm Chúng ta nhận thấy rằng, kết thu điều khiển PI số, PD số, PID số có dao động ngõ Điều tránh trình điều khiển thực tế yếu tố khác nên gây dao động mặt nước Thời gian lấy mẫu T hệ bồn nước đơn cần lựa chọn phù hợp Nếu lấy thời gian lấy mẫu T dài vi xử lý không đáp ứng kịp thay đổi hệ thống nên không điều khiển tốt Nếu lấy thời gian lấy mẫu ngắn sai số nhiễu cảm biến tăng, tín 62 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Bảng Bảng trình bày chất lượng hệ thống điểm làm việc cm cm áp dụng ba điều khiển PID, PI PD mơ hình thực Qua quan sát đồ thị Hình và nhận xét tiêu chất lượng, đáp ứng ngõ hệ thống điểm đặt cm có chất lượng tốt điểm làm việc cm Hệ bồn đơn hệ thống có qn tính lớn, thời gian đáp ứng nhanh thường dẫn đền vọt lố cao Tại điểm làm việc cm, với điều khiển PID, thời gian đáp ứng nhanh nên hệ thống sinh vọt lố, sau khoảng thời gian hệ thống đạt giá trị xác lập Trong đó, điểm đặt cm thời gian đáp ứng độ vọt lố dung hòa nên ngõ hệ thống với điều khiển PID có chất lượng tốt Nhìn chung với điều khiển PID số cho đáp ứng ngõ hệ thống đạt chất lượng tốt so với điều khiển lại Kết luận thi nghiệm Trong viết này, tác giả xây dựng hệ thống “Kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” theo phương pháp điều khiển rời rạc kết hợp với so sánh ba điều khiển PID số, điều khiển PD số điều khiển PI số mô phần mềm Matlab áp dụng mơ hình thực Hệ thống bồn nước đơn hệ chậm, để điều khiển hệ thống thời gian thực cần quan tâm cải thiện phần công suất hệ thống Vi điều khiển Arduino có tốc độ xử lý 16 MHz, cảm biến HC-SR05 có tốc độ xử lý 40 KHz Thời gian lấy mẫu hệ thống 100 ms vi điều khiển cảm biến hồn tồn đáp ứng Phần quan tâm cần cải thiện động bơm hệ thống Động sử dụng mơ hình có giá thành rẻ, chất lượng chưa tốt, với thời gian lấy mẫu 100 ms động đáp ứng ổn định Khi thay thời gian lấy mẫu nhanh động khơng đáp ứng kịp thời làm ảnh hưởng kết ngõ Nếu thay thời gian lấy mẫu chậm kết khơng thay đổi tốt so với ban đầu Chính vậy, để điều khiển thời gian thực cần ý đến động có chất lượng tốt Nhìn chung, sử dụng điều khiển PID số, người điều khiển cần quan tâm đến việc lựa chọn giá trị KP, KI , KD cho phù hợp với đối tượng cần điều khiển Quá trình thực nghiệm cần trọng để lựa chọn thông số cho điều khiển PID số cho ngõ hệ thống ổn định 63 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 PHẦN 4: KẾT LUẬN Điều khiển tự động đóng vai trị quan trọng phát triển khoa học kỹ thuật Lĩnh vực hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy quy trình sản xuất đại, đời sống hàng ngày: điều khiển nhiệt độ, độ ẩm Phát minh khởi đầu cho việc phát triển lĩng vực điều khiển tự động điều tốc ly tâm để điều chỉnh nhiệt độ máy nước Jame Watt năm 1874 Các cơng trình đáng ý bước đầu phát triển lý thuyết điều khiển nhà khoa học Minorsky, Hazen, Nyquist năm 1922 Minorky thực hệ thống điều khiển tự động tàu chứng minh tính ổn định hệ thống xác định từ phương trình vi phân mơ tả hệ thống Năm 1932, Nyquist đưa nguyên tắc tương đối đơn giản để xác định tính ổn định hệ thống vịng kìn dựa sở đáp ứng vịng hở tính hiệu vào hình sin trạng thái xác lập Năm 1934, Hazen giới thiệu thuật ngữ điều chỉnh tự động (servo mechanism) cho hệ thống điều khiển định vị vâà thảo luận đến việc thiết kế hệ thống relay điều chỉnh động với ngõ vào tín hiệu thay đổi Trong suốt thập niên 40 kỷ 20 phương pháp đáp ứng tần số giúp cjo kỹ sư thiết kế hệ thống vịng kín tuyến tính thỏa u cầu chất lượng điều khiển 64 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Từ cuối thập niên 40 đầu thập niên 50 phương pháp quỹ đạo nghiệm Evan phát triển toàn vẹn Phương pháp quỹ đạo nghiệm đáp ứng tần số xem cốt lõi lý thuyết điều khiển cổ điển cho phép ta thiết kế hệ thống ổn định thỏa tiêu chất lượng điều khiển Những hệ thống chấp nhận chưa phải tối ưu, hoàn thiện Cho tới cuối thập niên 50 kỷ 20 việc thiết kế hay nhiều hệ thống chuyển qua việc thiết kế hệ thống tối ưu với ý nghĩa đầy đủ Khi máy móc đại ngày phức tạp với nhioều tín hiệu vào việc mô tả hệ thống điều khiển đại địi hỏi lượng lớn phương trình Lý thuyết điều khiển cổ điển liên quan hệ thống ngõ vào ngõ trở nên bất lực để phân tích hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu Kể từ khoảng năm 1960 trở nhờ máy tính sốcho phép ta phân tích hệ thống phức tạp miền thời gian, lý thuyết điều khiển đại phát triển để đối phó với phức tạp hệ thống đại Lý thuyết điều khiển đại dựa phân tích miền thới gian tổng hợp dùng biến trạng thái, cho phép giải tốn điều khiển có yêu cầu chặt chẽ độ xác, trọng lượng giá thành hệ thống lĩnh vực kỹ nghệ không gian quân Sự phát triển gần lý thuyết điều khiển đại nhiều lĩnh vực điểu khiển tối ưu hệ thống ngẫu nhiên tiền định Hiện máy vi tính ngày rẽ, gọn khả xử lý lại mạnh nên dùng phần tử hệ thống điều khiển Những áp dụng gần lý thuyết điều khiển đại vào ngành kỹ thuật như: sinh học, y học, kinh tế, kinh tế xã hội *Tài liệu tham khảo - Nguyễễn Thị Phương Hà (chủ biễn),Huỳnh Thái Hoàng- Đại Cương Lý Thuyễết Điễều Khiển Tự Động – Đại Học Quốếc Gia TP Hốề Chí Minh - 2005 - Nguyễễn Thị Phương Hà – Lý Thuyễết Điễều Khiển Hiện Đại – Đại Học Quốếc Gia TP Hốề Chí Minh - 2012 - Huỳnh Thái Hồng - Hệ Thốếng Điễều Khiển Thống Minh - Đại học Quốếc gia TP Hốề Chí Minh 2006 - Nguyễễn Văn Sơn - Tạp chí Đại học THỦ DẦẦU MỘT, sốế 6(25) - 2015, Đai Học Thủ Dầều Một - Võ Minh Tài, Nguyễễn Phong Lưu, Nguyễễn Văn Đống Hải, Tạp Chí Khoa học Sốế 40(10-2019), Đại Học Đốềng Tháp - Nguyễễn Phùng Quang – MATLAB & Simulink dành cho kỉ sư Điễều Khiển Tự Động- NXB KH&KT Hà Nội 2004 - TS Lương Văn Vạn - Đễề cương giảng MATLAB & Simulink - Đại học SPKT Vĩnh Long 65 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 - 66 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com)