Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA: CƠ KHÍ---BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THUỘC HỌC PHẦN:CƠ SỞ HỆ THỐNG TỰĐỘNGTÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨUMƠ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG, VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐI
lOMoARcPSD|39211872 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA: CƠ KHÍ - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THUỘC HỌC PHẦN:CƠ SỞ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG, VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GVHD: Nhữ Quý Thơ Sinh viên: Đặng Đức Toàn Lớp: Cơ Điện Tử 2 - Khóa 14 MSV:2019602240 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Hà Nội–Năm 2020 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung 1 Tên lớp:………… Khóa:……………………………………………… 3 Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm)………… Họ và tên thành viên trong nhóm: ………………………………………………………………… II Nội dung học tập 1 Tên chủ đề: Mô hình hóa và khảo sát chất lượng, và thiết kế bộ điều khiển của hệ thống M mass of the cart 0.5 kg m mass of the pendulum 0.2 kg b friction of the cart 0.1 N/m/sec l length to pendulum center of mass 0.3 m I inertia of the pendulum 0.006 kg*m^2 F force applied to the cart x cart position coordinate theta pendulum angle from vertical Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 2 Hoạt động của sinh viên - Nội dung 1: Mô hình hóa hệ thống, tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.1 - Nội dung 2: Khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo khối lượng cần lắc thay đổi thừ 0.1 đến 1.0 kg - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.1 - Nội dung 3: Thiết lập điều khiển sớm pha khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số điều khiển sớm pha - Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L2.2 3 Sản phẩm nghiên cứu: Bài thu hoạch và các chương trình mô phỏng trên Matlab III Nhiệm vụ học tập 1 Hoàn thành tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 26/10/2020 đến ngày 20/12/2020) 2 Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên và những sinh viên khác IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án 1 Tài liệu học tập: Sách Cơ sở hệ thống tự động, tài liệu Matlab 2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 MỤC LỤC MỤC LỤC 3 I Nội dung 1: Mô hình hóa hệ thống, tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian 4 I.1 Mô hình hóa hệ thống: .4 I.2 Biểu diễn trên matlap 7 I.2.1 Hàm truyền của hệ thống .7 I.2.2 Đáp ứng của hệ thống theo thời gian 8 II Nội dung 2: khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo khối lượng cần lắc thay đổi từ 0.1 đến 1.0 kg 10 III Nội dung 3: Thiết lập điều khiển sớm pha khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số điều khiển sớm pha 11 III.1 Bộ điều khiển sớm pha 11 III.2 Thiết lập điều khiển sớm pha khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số điều khiển sớm pha .12 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 I Nội dung 1: Mô hình hóa hệ thống, tìm đáp ứng hệ thống theo thời gian I.1 Mô hình hóa hệ thống: Tổng hợp các lực trong hình của xe theo chiều ngang, ta có được phương trình chuyển động: (1) Tổng hợp các lực lượng trong hình của con lắc theo chiều ngang, ta nhận được một phương trình cho N: (2) Nếu thế phương trình (2) vào phương trình đầu tiên (1) , ta có được phương trình đầu tiên về chuyển động cho hệ thống này: (3) Tổng hợp các lực lượng vuông góc với con lắc, ta nhận được phương trình sau: (4) Tổng hợp lực tại trọng tâm của con lắc để có được phương trình sau: (5) Kết hợp hai phương trình (4) và phương trình (5) ta có được phương trình: (6) Vì kĩ thuật thiết kế phân tích hệ thống áp dụng cho các hệ thống tuyến tính, chúng ta tuyến tính hóa các phương trình về vị trí cân bằng theo Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 phương thẳng đứng vì hệ thống luôn được cân bằng quanh trục thẳng đứng với 1 góc nhỏ nên ta có : Sau khi tuyến tính hai phương trình chuyển động trở thành (u đại diện cho đầu vào): Biến đổi Laplace hệ phương trình ta được: Từ phương trình thứ nhất của hệ ta có: Thế vào phương trình thứ hai của hệ ta có: Tại đó Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Từ biến đổi Laplace trên có thể thấy rằng có cả một cực và một zero tại gốc Đây có thể được hủy bỏ và các biến đổi Laplace trở thành: Với G(s)= , ta có mô hình hóa hệ thống: I.2 Biểu diễn trên matlap I.2.1 Hàm truyền của hệ thống Tạo một m-file mới và gõ Code biểu diễn hàm truyền trên matlap : M=0.5; m=0.2; Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 b=0.1; l=0.3; i=0.006; g=9.8; q=(M+m)*(i+m*l^2) - (m*l)^2; num = [m*l/q 0]; den = [1 b*( i+m*l^2)/q - (M+m)*m*g*l/q - b*m*l*g/q]; hamtruyen = tf(num,den) Lưu m-file với tên hamtruyenconlac Sau khi chạy code ta thu được hàm truyền của hệ thống Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 I.2.2 Đáp ứng của hệ thống theo thời gian Đánh giá phản ứng của xung vòng mở ( không có hồi tiếp ) với tín hiệu đầu vào là hàm step Tiếp tục sử dụng m-file hamtruyenconlac, để vẽ đáp ứng của hệ thống với tín hiệu đầu vào là hàm step ta thêm dòng code: Step (hamtruyen, 0:0.001:1); Grid on; Tilte ( ‘ Do thi hamtruyen theo thoi gian ‘ ) Ta thu được đáp ứng như hình vẽ: Để xác định các thông số ta kích chuột phải vào biểu đồ và chọn characteristic : Pear respone: độ vọt lố Setting time: thời gian xác lập Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Rise time: thời gian lên Steady state: sai số xác lập Dựa vào đồ thị ta thấy, đáp ứng của hệ thống không đạt yêu cầu và mất ổn định trong vòng lặp mở, với biên độ đầu ra tăng 18.5 radian trong 1 giây khi chỉ có giá trị nhỏ Trong thực tế, con lắc sẽ đổ xuống khi góc quá lớn Kiểm tra bằng matlap: Tiếp tục sử dụng m-file hamtruyen, ta thêm dòng code để tìm số zero và số cực: [zero cuc] = zpkdata ( hamtruyen, ‘v’ ) Ta thu được kết quả: Ta thấy hệ thống có một cực nằm phía bên phải mặt phẳng phức, chứng tỏ hệ thống không ồn định giống với những nhận xét suy ra từ đồ thị Ta có code tổng của nội dung 1 như sau : M=0.5; Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 m=0.2; b=0.1; l=0.3; i=0.006; g=9.8; q=(M+m)*(i+m*l^2) – (ml)^2; num = [m*l/q 0]; den = [1 b*( i+m*l^2)/q –(M+m)*m*g*l/q –b*m*l*g/q]; hamtruyen = tf(num,den) Step (hamtruyen, 0:0.001:1); Grid on; Tilte ( ‘ Do thi hamtruyen theo thoi gian ‘ ) [zero cuc] = zpkdata ( hamtruyen, ‘v’ ) II Nội dung 2: khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo khối lượng cần lắc thay đổi từ 0.1 đến 1.0 kg khi khối lượng cần lắc thay đổi dẫn đến sự thay đổi của hệ thống và đáp ứng đầu ra của hệ thống, do vậy ta cần phải khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo sự thay đổi này, từ đó đưa ra được giá trị khối lượng cần lắc phù hợp nhất Trong đó, khối lượng cần lắc được khảo sát trong khoảng 0.1 đến 1.0 kg Để khảo sát đáp ứng ra của hệ thống trên matlap, ta tạo 1 m-file mới và lưu lại với tên phan2conlac Trong m-file mới này, ta nhập đoạn code sau để khảo sát sự thay đổi của đáp ứng đầu ra khi khối lượng cần lắc thay đổi M=0.5; m=0.1; Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 b=0.1; l=0.3; i=0.006; g=9.8; T=0:0.01:1; q=(M+m)*(i+m*l^2) – (ml)^2; num = [m*l/q 0]; den = [1 b*( i+m*l^2)/q –(M+m)*m*g*l/q –b*m*l*g/q]; hamtruyen = tf(num,den); t=0:0.01:1; for m=0:0.1:1 q=(M+m)*(i+m*l^2) – (ml)^2; num = [m*l/q 0]; den = [1 b*( i+m*l^2)/q –(M+m)*m*g*l/q –b*m*l*g/q]; hamtruyen = tf(num,den); step(hamtruyen,t) hold on; grid on; end; title ( ‘ do thi cua dap ung he thong khi khoi luong can lac m thay doi ‘ ); legend( ‘ m=0.1’, ‘ m=0.2’, ‘ m=0.3’, ‘ m=0.4’, ‘ m=0.5’, ‘ m=0.6’, ‘ m=0.7’, ‘ m=0.8’, ‘ m=0.9’, ‘ m=1’); Ta thu được kết quả: Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Khi khối lượng cần lắc m thay đổi từ 0.1 đến 1 kg thì đáp ứng đầu ra của hệ thống cũng thay đổi Khi khối lượng cần lắc càng tăng thì hệ thống càng nhanh mất đi tính ổn định III Nội dung 3: Thiết lập điều khiển sớm pha khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số điều khiển sớm pha III.1 Bộ điều khiển sớm pha Bộ điều khiển sớm pha có hàm truyền dạng: Các tham số của bộ điều khiển sớm pha cần được khảo sát là Bộ điều khiển sớm pha giúp cải thiện đáp ứng quá độ nhưng dễ mất tính ổn định Mô hình hoá : Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 III.2.Thiết lập điều khiển sớm pha khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số điều khiển sớm pha Vì hệ thống ban đầu chưa ổn định nên việc thêm vào hệ thống các bộ điều khiển là cần thiết, và khảo sát sự ảnh hưởng của các hệ số trong bộ điều khiển tới hệ thống Tạo một m-file mới, lưu m-file với tên dkconlac và nhập code sau : M=0.5; m=0.2; b=0.1; l=0.3; i=0.006; g=0.8; q=(M+m)*(i+m*l^2) – (ml)^2; num = [m*l/q 0]; den = [1 b*( i+m*l^2)/q –(M+m)*m*g*l/q –b*m*l*g/q]; G = tf(num,den); kc=1; T=1; a=1; lead=tf(kc*[T*a 1],[T 1]); Gt = feedback(lead*G, 1); t=0:0.1:30; step(Gt,t); grid on; hold on; Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Khi kc=1, T=1 và a=1 ( a: alpha), hệ thống vẫn mất ổn định Khảo sát sự ảnh hưởng kc tới chất lượng điều khiển Lần lượt thay đổi các giá trị của kc, và giữ nguyên giá trị T=1 và a=1: Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Dựa vào đồ thị ta thấy, khi kc tăng lên làm cho hệ thống tăng tính ổn định và bám sát đầu vào nhưng lại làm cho hệ thống dao động mạnh Ảnh hưởng của a tới chất lượng điều khiển: Lần lượt thay đổi các giá trị của a, và giữ nguyên giá trị kc=1000, T=1: Để quan sát rõ hơn sự ảnh hưởng của a, ta thiết lập lại t về t=0:0.1:1 ta có: Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Khi a tăng, làm cải thiện tính ổn định của hệ thống và làm cho hệ thống nhanh tiến tới ổn định hơn, giảm thời gian xác lập, giảm dao động của hệ thống, nhưng khi a tiếp tục tăng thì dao động của hệ thống tiếp tục tăng Ảnh hưởng của T tới chất lượng điều khiển: Lần lượt thay đổi các giá trị của T, và giữ nguyên giá trị kc=1000, a=100: Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Khi T giảm, độ vọt lố,thời gian xác lập của hệ thống đều được cải thiện và dao động của hệ thống cũng được cải thiện và giảm đi rõ rệt Nhưng khi T tiếp tục giảm, độ vọt lố, thời gian xác lập của hệ thống tăng Từ khảo sát trên, ta rút ra được sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số điều khiển sớm pha: Khi kc và a giúp cải thiện tính ổn định của hệ thống nhưng lại làm cho hệ thống giao động mạnh khi kc và a tăng T giúp cải thiện độ vọt lố, thời gian xác lập cảu hệ thống và giảm dao động của hệ thống khi T giảm, nhưng khi T giảm quá lớn, thì độ vọt lố và thời gian xác lập của hệ thống lại tăng Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Tài liệu tham khảo: http://www.nguyenvankhoa.com/2019/12/blog-post.html? m=1&fbclid=IwAR3f1aszPFJdeImucjbKcZH01_SWMSDFMWvI8tAHjzgOlRnxXRB2 U0KFsYk https://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php? example=InvertedPendulum§ion=ControlPID&fbclid=IwAR2gW3rcxmT4PMJ3K5 Q6L_gwL3TfOhMhuClULBRKNHPsQdtMGwaJFpbIJ84 https://www.youtube.com/watch?v=dnUKsCywl-s Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com)