Đồ án môn học lý thuyết điều khiển tự động

Trường Đại học Điện Lực Khoa công nghệ tự động ĐỒ ÁN MÔN HỌC: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Giáo viên hướng dẫn: PHẠM THỊ HƯƠNG SEN Sinh viên thực : NGUYỄN TRỌNG DŨNG LỚP : Đ6-CNTĐ HÀ NỘI 2013 MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH THỜI GIAN CỦA MỘT KHÂU…………………… ……4 1.1 Định nghĩa………………………………………………………………… 1.2 Khảo sát đường đặc tính thời gian lị điện trở có hàm truyền đạt………………………………………………………………………………………4 CHƯƠNG 2: QUỸ ĐẠO NGHIỆM…………………………………………………….7 2.1 Định nghĩa……………………………………………………………………… 2.2 Quy tắc vẽ quỹ đạo nghiệm số…………………………………………… 2.3 Ứng dụng vẽ quỹ đạo nghiệm số hệ kín có phản hồi âm đơn vị … CHƯƠNG 3: Thiết kế điều khiển cho lò điện trở theo luật điều khiển P,PI,PID Xác định tham số điều khiển theo ba phương pháp khác để hệ có chất lượng tốt 11 3.1 Thiết kế điều khiển theo luật P………………………………………………11 3.2 Thiết kế điều khiển theo luật PI……………………………………… 12 3.3 Thiết kế điều khiển theo luật PID………………………………………… 13 3.4 Các phương pháp thiết kế điều khiển………………………………… .16 3.4.1 Thiết kế điều khiển P,PI,PID phương pháp Zeigler – Nichols …… 16 3.4.2 Thiết kế điều khiển P,PI,PID Simulink…………………………… 22 3.4.3 Thiết kế diều khiển P, PI, PID phương pháp sisotool…………… 28 CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN LỊ ĐIỆN TRỞ TRONG THỰC TẾ……………………………………………………………………………………… 34 4.1 Nguyên lý làm việc lò điện trở………………………………………………34 4.2 Cấu tạo lò điện trở……………………………………………………… .35 LỜI NĨI ĐẦU Ngày ngành tự động hóa trở thành vấn đề thiết yếu ngành công nghiệp.Để thiết kế mơ hình tự động hóa nhà máy cơng nghiệp người thiết kế cần nắm kiến thức Lý thuyết điều khiển tự động – môn ngành tự động hóa Một kỹ mà người học phải có sau học xong mơn phải nhận dạng ổn định mơ hình Trong đồ án em biết cách khảo sát đường đặc tính thời gian, vẽ quỹ đạo nghiệm số hệ kín phản hồi thơng qua Maclab từ xác định thơng số để hệ thống ổn định từ thiết kế điều khiển P,PI,PID để nâng cao chất lượng đầu hệ thống Trong trình thực đồ án em nhận nhiều khuyến khích góp ý từ ban thầy cô, đặc biệt cô Phạm Thị Hương Sen – Giáo viên môn khoa công nghệ tự động trường Đại học Điện Lực Với kiến thức hiểu biết hạn chế, em mong nhận nhiều đóng góp , bổ xung ý kiến bạn đồ án hồn thiện hơn,giúp em có kiến thức vững để học tập nghiên cưu sâu ngành công nghệ tự động Em xin chân thành cảm ơn! Đềbài: Cho đối tượng cần điều khiển lò điện trở có hàm truyền đạt: W(s) = K e−20 s 400 s +1 Yêu cầu: Cho K = 10, khảo sát đường đặc tính theo thơi gian lò điện trở Nêu nhận xét Vẽ quỹ đạo nghiệm số hệ kín có phản hồi âm đơn vị Dựa vào quỹ đạo nghiệm số, tìmKgh để hệ thống ổn định, rõ giá trị quỹ đạo nghiệm số - Tìm K để hệ có tần số dao động tự nhiên ω n = - Tìm K để hệ có hệ số tắt dần0.8 - Tìm K để hệ có độ q điều chỉnh 25% - Tìm K để hệ có thời gian q độ 200s Thiết kế hệ điều khiển cho lò điện trở theo luật điều khiển: P, PI, PID Tiến hành xác định tham số điều khiển theo ba phương pháp khác để hệ có chất lượng tốt Tìm hiểu hệ điều khiển nhiệt độ lò điện trở thực tế CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH THỜI GIAN CỦA MỘT KHÂU 1.1 Định nghĩa Đặc tính thời gian hệ thống mơ tả thay đổi tín hiệu đầu hệ thống tín hiệu đầu vào hàm xung đơn vị hay hàm nấc đơn vị Hàm độ khâu Hàm độ khâu phản ứng khâu với tín hiệu vào 1(t) Kí hiệu : h(t) Biểu thức : h(t)= L-1{ W ( s) } s Hàm trọng lượng khâu Hàm trọng lượng khâu phản ứng khâu tín hiệu vàoδ (t) Kí hiệu : ω(t) Biểu thức : ω(t)= L-1{W(s)} 1.2 Khảo sát đường đặc tính thời gian lị điện trở có hàm truyền đạt: 10 W(s) = 400 s +1 e −20 s Sử dụng phần mềm maclab để khảo sát đường đặc tính thời gjan Khai báo đối tượng khảo sát *) Hàm độ h(t): Mở cửa sổ Command window gõ lệnh: >> num=[10]; >> den=[400 1]; >> W=tf(num,den,'inputdelay',20); >> impulse(W); >> step(W); *) Hàm độ h(t): Step Response 10 Amplitude 0 500 1000 1500 2000 2500 Time (seconds) Nhận xét: +) Do bậc mẫu lớn bậc tử nên đường h(t) xuất phát từ gốc tạo độ O b0 10 +) Do a = =10 nên đường h(t) tiến đến 10 +) Thời gian lên: 880 (s) +) Thời gian xác lập: 1593 (s) *) Hàm trọng lượng ω(t): Impulse Response 0.025 0.02 Amplitude 0.015 0.01 0.005 0 500 1000 1500 2000 2500 Time (seconds) Nhận xét: +) Đường g(t) xuất phát từ gốc tạo độ O tiến dần hình vẽ +) Thời gian xác lập: 1653 (s) CHƯƠNG 2: QUỸ ĐẠO NGHIỆM SỐ 2.1 Định nghĩa Quỹ đạo nghiệm số quỹ đạo tạo từ nghiệm phương trình đặc tính hệ thống có thơng số hệ thay đổi từ đến + ∞ Bằng cách quan sát quỹ đạo nghiệm số ta nhận thấy quỹ đạo nghiệm số bên trái trục ảo hệ thống ổn định, cịn QĐNS nằm bên phải trục ảo hệ thống khơng ổn định Từ ta xác định khoảng thông số thay đổi để hệ thống ổn định Phương pháp thường dùng cho hệ số biến đổi hệ số khuếch đại hệ thống 2.2 Quy tắc vẽ quỹ đạo nghiệm số Để vẽ QĐNS, trước tiên ta phải biến đổi tương đương phương trình đặc tính dạng : N (s ) + D(s ) K =0 Trong : K thơng số không thay đổi N (s) Đặt G0(s) = K D( s) Gọi n số cực G0(s) , m số zero G0(s) Ta có điều kiện biên độ điều kiện pha: |G0(s)| = > L=20; >> n=3; >> [num,den]=pade(L,n); >> b=tf(num,den); >> Wđt=tf(1,[400 1])*b; >> rlocus(Wđt); Ta quỹ đạo nghiệm số hình vẽ: Root Locus 0.8 System: w Gain: 307 Pole: 0.000178 + 0.768i Damping: -0.000231 Overshoot (%): 100 Frequency (rad/s): 0.768 0.6 Imaginary Axis (seconds -1 ) 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -0.5 0.5 1.5 2.5 -1 Real Axis (seconds ) Từ đồ thị cho ta: 1 Điểm cực: -0.232; - 400 ; -1.84 + 0.175j ; -1.84 - 0.175j Quỹ đạo nghiệm có nhánh