Ứng dụng matlab trong khảo sát tính ổn định của hệ thống môn học thực tập hệ thống điều khiển tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ  BÀI BÁO CÁO SỐ ỨNG DỤNG MATLAB TRONG KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG MÔN HỌC: THỰC TẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GVHD: NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SINH VIÊN THỰC HIỆN: TRẦN DANH THỊNH - 21151166 HỌC KỲ: I – NĂM HỌC: 2023 - 2024 TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 9/ 2023 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM đưa môn học Thực tập Điều khiển tự động vào trương trình giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên môn – Thầy Nguyễn Văn Đông Hải dạy dỗ, truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học Thực tập Điều khiển tự động thầy, em có thêm cho nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc Đây chắn kiến thức quý báu, hành trang để em vững bước sau Bộ mơn Thực tập Điều khiển tự động môn học thú vị, vơ bổ ích có tính thực tế cao Đảm bảo cung cấp đủ kiến thức, gắn liền với nhu cầu thực tiễn sinh viên Tuy nhiên, vốn kiến thức nhiều hạn chế khả tiếp thu thực tế nhiều bỡ ngỡ Mặc dù em cố gắng chắn tiểu báo cáo khó tránh khỏi thiếu sót nhiều chỗ cịn chưa xác, kính mong thầy xem xét góp ý để báo cáo em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I Yêu cầu: Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ: 1.1 Hãy xác định hàm truyền gần lò nhiệt 1.2 Dùng simulink xây dựng mơ hình điều khiển vòng hở lò nhiệt sau 1.3 Hãy thiết kế điều khiển PID lò nhiệt dùng phương pháp Zeigler-Nichols 1.4 Xây dựng mơ hình điều khiển nhiệt độ Khảo sát mơ hình điều khiển tốc độ động Bài tập 12 II Bài làm 13 Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ: 13 1.1 Hàm truyền gần hệ lò nhiệt 13 1.2 Vẽ tiếp tuyến điểm uốn để tính thơng số T1, T2 So sánh với đặc tính lị nhiệt 14 1.3 Hãy thiết kế điều khiển PID lò nhiệt dùng phương pháp Zeigler - Nichols 14 1.4 Xây dựng mơ hình điều khiển nhiệt độ 15 Khảo sát mơ hình điều khiển tốc độ động 24 2.1 Tìm hệ phương trình biến trạng thái mơ tả hệ với hai biến trạng thái x1=i x2=ω 24 2.2 Tìm hàm truyền động DC 25 2.3 Xây dựng mơ hình điều khiển tốc độ động sau: 26 Bài tập 31 3.1 Dựa vào hệ phương trình biến trạng thái (HPT) tìm câu 2.2a dùng Simulink mơ tả động HPT Sau thay khối động mô tả hàm truyền sơ đồ mô khối động mô tả HPT làm lại câu 2.2d Nhận xét kết 31 3.1.1 Đáp ứng ngõ khơng có điều khiển PID 33 3.1.2 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển P (Ki = 0, kD = 0) 34 3.1.3 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển PI (Kp = 33.323, Kd = 0) 36 3.2 Đánh giá chất lượng hệ thống mơ hình điều khiển tốc độ động có momen tải (Mc=0.01) với điều khiển PI thiết kế khơng có momen tải 39 3.3 Trong mơ hình điều khiển nhiệt độ, hàm truyền đối tượng lị nhiệt mơ tả khâu quán tính khâu trễ hai khâu qn tính Hãy mơ tả lị nhiệt theo cách thiết kế điều khiển PID tương ứng Đánh giá chất lượng điều khiển mô 39 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình Đặc tính lị nhiệt Hình Sơ đồ mô Hình Sơ đồ mơ điều khiển PID cho lò nhiệt Hình 4: Mơ hình động chiều .8 Hình 5: Sơ đồ mơ động chiều Hình 6: Sơ đồ mơ điều khiển PID cho lò nhiệt .14 Hình Biểu đồ đáp ứng ngõ hệ lị nhiệt có PID 15 Hình Biểu đồ đáp ứng ngõ hệ lị nhiệt có PID với điều khiển P 16 Hình 8: Sơ đồ mơ đáp ứng ngõ hệ lò nhiệt với điều khiển P 16 Hình Biểu đồ đáp ứng ngõ hệ lị nhiệt có PID với điều khiển P 17 Hình 10 Sơ đồ mô sai số ngõ hệ lò nhiệt với điều khiển P 18 Hình 11 Biểu đồ sai số ngõ hệ lị nhiệt có PID với điều khiển P 18 Hình 12 Biểu đồ đáp ứng ngõ hệ lị nhiệt có PID với điều khiển PI .19 Hình 13 Biểu đồ đáp ứng sai số ngõ hệ lị nhiệt có PID với điều khiển PI 20 Hình 14 Biểu đồ đáp ứng ngõ hệ lị nhiệt có PID với điều khiển PD 21 Hình 15 Biểu đồ đáp ứng sai số ngõ hệ lò nhiệt có PID với điều khiển PD 22 Hình 16: Sơ đồ mơ động chiều 26 Hình 17 Đáp ứng ngõ hệ thống với điều khiển P 28 Hình 18 Đáp ứng sai số ngõ hệ thống với điều khiển P 28 Hình 19 Đáp ứng ngõ hệ thống với điều khiển PI 30 Hình 20 Sai số hệ thống với điều khiển PI 31 Hình 21 Hệ phương trình khơng gian trạng thái hệ thống DC 32 Hình 22 Sơ đồ mơ động chiều .32 Hình 23: Thơng số phương trình trạng thái 33 Hình 24 Đáp ứng ngõ hệ thống khơng có điều khiển PID 34 Hình 25 Đáp ứng ngõ hệ thống với điều khiển P .34 Hình 26 Sai số hệ thống với điều khiển P 35 Hình 27 Đáp ứng ngõ hệ thống với điều khiển PI 36 Hình 28 Sai số hệ thống với điều khiển PI 38 Hình 29 Sơ đồ mơ hệ lị nhiệt theo cách 39 Hình 30 Sai số, đáp ứng ngõ hệ lò nhiệt dùng PID theo cách 40 Hình 31 Sai số, đáp ứng ngõ hệ lò nhiệt dùng PID theo cách 41 Hình 32 Đáp ứng ngõ hệ lị nhiệt dùng PID theo cách .41 Hình 33 Sai số hệ lị nhiệt theo cách 42 I u cầu: Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ: Hình Đặc tính lị nhiệt 1.1 Hãy xác định hàm truyền gần lò nhiệt 1.2 Dùng simulink xây dựng mơ hình điều khiển vịng hở lị nhiệt sau Hình Sơ đồ mơ Trong đó: • Step: tín hiệu hàm nấc thể phần trăm công suất cung cấp cho lò nhiệt Giá trị hàm nấc biến thiên từ 0÷1 tương ứng cơng suất cung cấp biến thiên từ 0% ữ 100% ã Transfer Fcn v Transport Delay: mụ hình lị nhiệt tuyến tính hóa câu a Khâu Transport Delay khâu trễ • Chỉnh giá trị hàm nấc (tương ứng công suất cung cấp cho lò nhiệt 100%) (Step time = 0, Initial time = 0, Final time = 1) Chỉnh thời gian mô Stop time = 600s Mô vẽ q trình q độ hệ • Trên hình vẽ câu vẽ tiếp tuyến điểm uốn để tính thơng số T1, T2 So sánh với đặc tính lị nhiệt 1.3 Hãy thiết kế điều khiển PID lò nhiệt dùng phương pháp Zeigler-Nichols 1.4 Xây dựng mơ hình điều khiển nhiệt độ Hình Sơ đồ mơ điều khiển PID cho lị nhiệt Trong đó: • Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc đơn vị r(t)=100 tương ứng nhiệt độ mong muốn 100oC • Khâu bão hịa Saturationcó giới hạn Upper limit = Lower limit = nghĩa ngõ điều khiển có cơng suất cung cấp từ 0% đến 100% • Bộ điều khiển PID có thơng số tính tốn câu • Đối tượng lị nhiệt có hàm truyền tinh toán câu a 1.4.1 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển P (Ki = 0, kD = 0) • Trình bày đáp ứng ngõ hệ thống tương ứng với thông số điều khiển đồ thị (Xem link tài liệu tham khảo) • Trình bày sai số ngõ hệ thống tương ứng với thông số điều khiển đồ thị (Xem link tài liệu tham khảo) • Tìm độ vọt lố, sai số xác lập thời gian độ theo bảng sau • Nhận xét chất lượng hệ thống thay đổi kp thay đổi Giải thích 1.4.2 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển PI (Kp = 0.024, kD = 0) 1.4.1.1 Trình bày đáp ứng ngõ hệ thống tương ứng với thông số điều khiển đồ thị (Xem link tài liệu tham khảo) 1.4.1.2 Trình bày sai số ngõ hệ thống tương ứng với thông số điều khiển đồ thị (Xem link tài liệu tham khảo) 1.4.1.3 Tìm độ vọt lố, sai số xác lập thời gian độ theo bảng sau 1.4.1.4 Nhận xét chất lượng hệ thống thay đổi Ki thay đổi Giải thích 1.4.2 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển PD (kp = 0.024, Ki = 0) 1.4.2.1 Trình bày đáp ứng ngõ hệ thống tương ứng với thông số điều khiển đồ thị (Xem link tài liệu tham khảo) 1.4.2.2 Trình bày sai số ngõ hệ thống tương ứng với thông số điều khiển đồ thị (Xem link tài liệu tham khảo) 1.4.2.3 Tìm độ vọt lố, sai số xác lập thời gian độ theo bảng sau 1.4.2.4 Nhận xét chất lượng hệ thống thay đổi kD thay đổi 1.4.3.5 Nhận xét ảnh hưởng khâu P, I, D đến chất lượng hệ thống Khảo sát mơ hình điều khiển tốc độ động Động chiều sử dụng phổ biến hệ điều khiển nhờ đặc tính tuyến tính, tầm điều chỉnh vận tốc rộng Sơ đồ nguyên lý động chiều sau Hình 4: Mơ hình động chiều Trong đó: • L: điện cảm cuộn dây stato • • • • • • • • R: điện trở cuộn dây stato i: dòng điện chạy cuộn dây stato U: điện áp cung cấp cho động T: momen quay 𝜔: vận tốc góc 𝐾𝑓: hệ số ma sát 𝐾𝑚 số momen 𝐾𝑚 𝐾𝑏: số suất điện động 𝐾𝑏 J: momen quán tính phần chuyển động Cho R=2Ω, L=0.5H, Km = 0.015, Kb = 0.015Vs/rad, Kf = 0.2, J = 0.02kgm/s2 a) Tìm hệ phương trình biến trạng thái mơ tả hệ với hai biến trạng thái x1=i x2=ω