Bài thực hành cơ sở lý thuyết điều khiển tự động

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KĨ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

======🙤🕮🙦======

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔN:

Trang 2

Trần Ngọc Phú BÀI 1: KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 MỤC ĐÍCH 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.3 THIẾT BỊ THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ VẬT TƯ TIÊU HAO 1.4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1.4.1 Khảo sát các đặc tính của các khâu động học cơ bản

a Khâu tích phân

Hàm truyền của khâu tích phân

- Với k=5 chương trình được viết như sau: 1 Hàm quá độ h(t)

Trang 3

3 Đặc tính tần biên pha của hệ thống

Trang 4

Trần Ngọc Phú

Với k=20 chương trình được viết như sau: 1 Hàm quá độ h(t)

Trang 5

Trang 6

Trần Ngọc Phú

b Khâu vi phân quán tính

Với tham số K=20 ; T=0.1 ta có chương trình như sau: 1 Hàm quá độ h(t)

Trang 7

Trang 9

Trang 10

Trần Ngọc Phú

Với tham số K=20 ; T=100 ta có chương trình như sau: 1 Hàm quá độ h(t)

Trang 11

Trang 13

Trang 14

Trần Ngọc Phú

Với d=0,25 ta có các đặc tính sau : 1 Hàm quá độ h(t)

Trang 15

Trang 16

Trần Ngọc Phú

Với d=0,5 ta có các đặc tính sau: 1 Hàm quá độ h(t)

Trang 17

Trang 18

Trần Ngọc Phú

Với d=0,75 ta có các đặc tính sau: 1 Hàm quá độ h(t)

Trang 19

Trang 20

Trần Ngọc Phú

Với d=1 ta có các đặc tính sau: 1 Hàm quá độ h(t)

Trang 21

Trang 22

Trần Ngọc Phú

1.4.2 Tìm hàm truyền tương đương của hệ thống

Sử dụng các lệnh cơ bản của MATLAB trong kết nối hệ thống Tiến hành:

Bằng cách sử dụng các lệnh cơ bản conv, tf, series, parallel, feedback,… tìm biểu thức hàm truyền tương đương G(s) của hệ thống có cấu trúc điều khiển

như hình 1.1:

Trong đó:

Bài làm :

Trang 23

2 Hàm trọng lượng w(t)

Trang 24

Trần Ngọc Phú

4 Đặc tính tần loga

Trang 25

1.4.3 Khảo sát các đặc tính của hệ thống

Hàm viết trong MatLab

Trang 26

Trần Ngọc Phú

Trang 27

Trang 28

Trần Ngọc Phú

Trang 29

Trang 30

Trần Ngọc Phú

Trang 31

BÀI 2: ỨNG DỤNG MATLAB KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TUYẾN TÍNH 2.1 MỤC ĐÍCH 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3 THIẾT BỊ THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ VẬT TƯ TIÊU HAO

2.4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 2.4.1 Xác định kgh

Cho hệ thống có sơ đồ cấu trúc như hình 2.1

Hình 2.1 sơ đồ cấu trúc của hệ thống

Các thông số được đo trong bảng kgh k1 k2 T1 T2 T3 25 8 1 0,1 0,4 25 7 2 0,2 0,8 25 9 0.5 0,4 0,05 25 5 4 0,8 0,6 25 6.5 5 0,5 0,2 Nhiệm vụ:

Vẽ QĐNS của hệ thống Dựa vào QĐNS, tìm kgh của hệ thống, chỉ rõ giá trị này trên QĐNS Lưu QĐNS này thành file *.bmp để viết báo cáo

- Hàm truyền đạt của hệ thống hở:

2.4.1.1 Khảo sát đặc tính trong miền thời gian của hệ kín trong 3 trường hợp

a Hệ thống ổn định k<k với chỉ tiêu chất lượng ≤20%

X Y

Trang 32

Trần Ngọc Phú

Trang 33

b, Hệ thống không ổn định k>kgh

Trang 34

Trần Ngọc Phú

Trang 35

c, Hệ thống ở biên giới ổn định k=kgh

 Code và hình

Trang 38

Trần Ngọc Phú + k<kgh ;

Code và hình :

Trang 39

+ k>kgh ;

- Code và hình :

Trang 40

Trần Ngọc Phú

2.4.2 Khảo sát hệ thống dùng phương pháp QĐNS

Khảo sát đặc tính của hệ thống tuyến tính có hệ số khuếch đại k thay đổi, tìm giá trị giới hạn kgh của k để hệ thống ổn định.

Tiến hành:

Cho hệ thống hồi tiếp âm đơn vị có đượng truyền vòng hở:

1 Vẽ QĐNS của hệ thống Dựa vào QĐNS, tìm kgh của hệ thống, chỉ rõ giá trị này trên QĐNS Lưu QĐNS này thành file *.bmp để viết báo cáo;

Code

Trang 43

5 Tìm k để hệ thống có thời gian xác lập (tiêu chuẩn 2%) txl= 4s

Trang 44

Trần Ngọc Phú BÀI 3: KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 MỤC ĐÍCH 3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.3 THIẾT BỊ THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ VẬT TƯ TIÊU HAO 3.4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Thay các giá trị vào biều thức hàm truyền trên ta được: Mục tiêu cần thực hiện là tìm KI; KP; KD để hệ nhận được: - Thời gian đáp ứng nhanh;

- Độ quá điều chỉnh là nhỏ nhất; - Triệt tiêu sai lệch tĩnh

3.4.1 Đáp ứng bước nhảy của vòng hở

1 Thời Gian Đáp ứng (Rise Time): Thời gian đáp ứng của hệ thống bị ảnh hưởng

bởi các cặp polen chủ đạo của hàm chuyển đổi Trong trường hợp này, các cặp polen chủ đạo được xác định bởi biểu thức bậc hai \(s^2 + 10s + 20\) Nếu các nghiệm của biểu thức này là thực, hệ thống có xu hướng bị chệch và thời gian đáp ứng sẽ tương đối chậm Nếu các nghiệm là phức, hệ thống có thể thể hiện một số dao động trong đáp ứng bước

2 Độ Quá Mức (Overshoot): Độ quá mức liên quan đến tỷ lệ giảm dần của hệ

Trang 45

dẫn đến ít độ quá mức hơn, trong khi tỷ lệ giảm dần thấp hoặc polen phức có thể gây ra độ quá mức lớn hơn

3 Sai Số Ổn Định (Steady-State Error): Sai số ổn định bị ảnh hưởng bởi loại hệ

thống Một hệ thống loại 0 (không có bộ tích phân trong hàm chuyển đổi) có thể có sai số ổn định đối với đầu vào bước Trong trường hợp của bạn, vì không có thành phần \(1/s\) trong hàm chuyển đổi, có thể có sai số ổn định trừ khi áp dụng thêm biện pháp bù trừ hoặc chiến lược kiểm soát

3.4.2 Bộ điều khiển P

Có thể thấy rằng hệ thống đáp ứng bước một cách nhanh chóng, với thời gian đáp ứng khoảng 0.05 giây Tuy nhiên, hệ thống cũng có độ quá điều chỉnh khá lớn, với giá trị y đạt đến 2, gấp đôi giá trị mong muốn là 1 Ngoài ra, hệ thống cũng có sai lệch tĩnh là 1, do giá trị y không thể đạt đến giá trị mong muốn là 0

Để cải thiện độ quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh của hệ thống, có thể giảm giá trị của hệ số điều khiển kp Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng thời gian đáp ứng của hệ thống

Trang 46

Trần Ngọc Phú Hệ thống có thời gian đáp ứng là 0.03 giây Độ quá điều chỉnh là 0.0001 Sai lệch tĩnh là 0

Nhận xét

Thời gian đáp ứng của hệ thống là khá ngắn, chỉ 0.03 giây Điều này cho thấy hệ thống có thể đáp ứng nhanh chóng với các tác động đầu vào

Độ quá điều chỉnh của hệ thống là rất nhỏ, chỉ 0.0001 Điều này cho thấy hệ thống không bị quá điều chỉnh quá mức, giúp hệ thống ổn định tốt hơn

Sai lệch tĩnh của hệ thống là 0 Điều này cho thấy hệ thống có thể đạt được giá trị mong muốn một cách chính xác

Kết luận

Phản ứng bước của hệ thống có chất lượng tốt, đáp ứng các yêu cầu về thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh

Trang 47

Nhận xét:

 Thời gian đáp ứng (rise time) là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu ra đạt 90% giá trị mục tiêu Trong trường hợp này, thời gian đáp ứng là 0,11 giây

 Thời gian ổn định (settling time) là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu ra dao động quanh giá trị mục tiêu trong một giới hạn nhất định Trong trường hợp này, thời gian ổn định là 0,3 giây

 Độ quá điều chỉnh (overshoot) là giá trị lớn nhất của tín hiệu ra vượt quá giá trị mục tiêu Trong trường hợp này, độ quá điều chỉnh là 10%

 Sai lệch tĩnh (steady-state error) là sai lệch giữa tín hiệu ra và giá trị mục tiêu khi hệ thống đã ổn định Trong trường hợp này, sai lệch tĩnh là 0%

Trang 48

Trần Ngọc Phú

Nhận xét

Thời gian đáp ứng là khoảng thời gian để hệ thống đạt tới 95% giá trị cân bằng Trong trường hợp này, thời gian đáp ứng là 0.1657 giây, là một giá trị khá nhỏ Điều này cho thấy hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh

Độ quá điều chỉnh là mức độ vượt quá giá trị cân bằng của hệ thống sau khi đã đáp ứng Trong trường hợp này, độ quá điều chỉnh là 0.0076, là một giá trị rất nhỏ Điều này cho thấy hệ thống có khả năng ổn định tốt

Trang 49

3.4.6 Thiết kế bộ điều khiển PID

Thời gian đáp ứng lớn nhất (Tmax) là khoảng 24 giây Độ quá điều chỉnh lớn nhất (σmax) là khoảng 150 Sai lệch tĩnh (εs) là khoảng 0

Nhận xét

 Thời gian đáp ứng của hệ thống khá lớn, do đó hệ thống sẽ phản ứng chậm với các thay đổi của tín hiệu vào

 Độ quá điều chỉnh của hệ thống cũng khá lớn, do đó hệ thống sẽ dao động nhiều trước khi đạt đến giá trị ổn định

Trang 50

Trần Ngọc Phú BÀI 4: ỨNG DỤNG SIMULINK TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 4.1 MỤC ĐÍCH 4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

4.2.1 Các khối được sử dụng trong bài thí nghiệm

4.2.2 Các bước tiến hành để xây dựng một ứng dụng mới trong SIMULINK 4.3 THIẾT BỊ THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ VẬT TƯ TIÊU HAO 4.4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

4.4.1 Khảo sát mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ

Trang 51

4.4.2 Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ ON – OFF