Bài tập lớn chủ đề mô hình hóa và khảo sát chấtlượng, và thiết kế bộ điều khiển của hệthống dc

2, Đáp ứng của hệ thống*Phản hồi vòng hở của hệ thống:Xác định đáp ứng của hệ thống tính ổn định, đáp ứng đầu ra, thời gian lên, thời gian quá độ, độ vọt lố, sai số xác lập?. Nhập lệnh s

CHỦ ĐỀ : MÔ HÌNH HÓA VÀ KHẢO SÁT CHẤTLƯỢNG, VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ

THỐNG DC

Học phần:Cơ sở hệ thống tự động

GVHD:TH.S BÙI HUY ANH

Sinh viên thực hiện: Vũ Trọng Hải Đăng Khóa: 16

Mã sinh viên: 2021601364

Năm học: 2022 - 2023

Nội Dung 1: Mô hình hóa hệ thống, , tìm đáp ứng hệ thống theo

Như hình vẽ ở đầu bài chúng ta thấy, mô-men xoắn được tạo ra bởi động cơ DC (dòng điện một chiều), động cơ tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng và cường độ của từ trường Trong đề bài này, chúng ta sẽ giả sử rằng từ trường là không đổi và mômen của động cơ chỉ tỷ lệ với dòng điện phần ứng theo hệ số không đổi như được chỉ ra trong phương trình dưới đây (1) ( Trong đó T là mômen của động cơ; hệ số sức điện động K=Ke=Kt; i là

dòng điện phần ứng)

Suất điện động emf, tỷ lệ thuận với vận tốc góc của trục theo hệ số không đổi

(2) ( Trong đó e là suất điện động, hệ số sức điện động K=Ke=Kt; là vận tốc góc của trục)

Trong đơn vị SI, mô men xoắn của động cơ và hằng số lực cản ngược bằng nhau, nghĩa là K=Ke=Kt; do đó, chúng ta sẽ sử dụng K để biểu thị cả hằng số mômen động cơ và suất điện động emf.

được phương trình như sau: (3)

(4)

1, Phương trình hàm truyền

Áp dụng phép biến đổi Laplace, các phương trình mô hình hóa trên có thể được biểu diễn dưới dạng biến Laplace s.

Thay 𝐼(𝑠) vào (6), rút gọn I(s) ta hàm truyền như sau:

Ta có sơ đồ khối của hệ thống

2, Đáp ứng của hệ thống

*Phản hồi vòng hở của hệ thống:

Xác định đáp ứng của hệ thống (tính ổn định, đáp ứng đầu ra, thời gian lên, thời gian quá độ, độ vọt lố, sai số xác lập) ? khi tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị.

Ta sử dụng phần mềm matlab.

Tạo một file mới : gõ các dòng lệnh sau vào cửa sổ command window để nhập các thông số của hệ thống và thiết lập hàm truyền

Chúng ta thấy rằng không thể đo được độ vọt lố, thời gian xác lập và sai số xác lập Nhập lệnh sau để kiểm tra các nghiệm của phương trình đặc tính:

Vì phương trình đặc tính có 1 nghiệm bằng 0 nên hệ thống không ổn định.

Nhận xét : Ta thấy , với hàm truyền hở không thể tìm được các đáp ứng ổn định của hệ

thống ( Không thể xác định được các thông số như độ vọt lố, thời gian xác lập, sai số xác lập)

Hệ thống với vòng lặp hở không ổn định , khi tín hiệu vào là 1 volt không thay đổi thì vị

trí của trục ( góc xoay θ ) tăng liên tục đến vô cùng theo thời gian Vì vậy cần phải thiết kế

bộ điều khiển để có thể điều khiển vị trí của trục theo mong muốn

*Phản hồi vòng kín.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét đáp ứng vòng kín của hệ thống trong đó sơ đồ hệ thống có cấu trúc sau.

Ta thấy: hệ thống vòng kín đã ổn định , sai số xác lập bằng 0 do có khâu tích phân lý tưởng, độ vọt lố bằng 0% Tuy nhiên thòi gian xác lập và thời gian lên rất lớn, cần phải cải thiện.

3, Mô hình hoá hệ thống và tìm đáp ứng của hệ thống theo thời gian

Thêm các khối PID, khối hồi tiếp và nối theo hình dưới đây,ta được mô phỏng simulink của bộ điều khiển PID cho hệ thống động cơ DC với đầu ra là vị trí.

Thông số vật lí phải được xác lập:

Nội dung 2: Khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo độtự cảm L thay đổi từ 0.5 đến 5H

Để khảo sát sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo điện trở động cơ L thay đổi từ 0.05-5 ta thực hiện trên phần mềm matlab Để có thể khảo sát nhiều giá trị cùng lúc, ta sử dụng vòng

Nhấn chuột phải chọn Characteristic

+ Chọn Peak response để xem độ vọt lố và sai số xác lập + Chọn setting time để xem thời gian xác lập

+ Chọn rise time để xem thời gian lên

Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy rằng độ vọt lố không thay đổi, sai số xác lập không

thay đổi, thời gian xác lập tăng, thời gian lên tăng

Nội dung 3: Thiết lập bộ điều khiển PID khảo sát sự phụ thuộc chấtlượng điều khiển vị trí theo các tham số PID

3.1 Thiết lập bộ điều khiển PID

3.1.1 Mục đích chế tạo hàm PID

Như đã xét ở trên, đáp ứng của hệ thống với vòng lặp hở không ổn định Phản hồi vòng kín đã đáp ứng được 1 số tuy nhiên thời gian đáp ứng còn quá lâu Vì vậy cần phải thiết kế bộ điều khiển PID để điều chỉnh đáp ứng ngõ ra đúng như ta mong muốn

3.1.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Cấu trúc của hệ thống điều khiển có dạng như hình dưới đây

Ta có phương trình hệ thống điều khiển PID dạng Laplace :

3.2, Khảo sát sự phụ thuộc chất lượng điều khiển vị trí theo các tham số PID

3.2.1Khảo sát sự phụ thuộc của Kp đối với bộ điều khiển PID

Đối với hệ chưa có độ vọt lố

Chọn giá trị Kp = 100; Ki = 150; Kd = 10; để hệ chưa có độ vọt lố

3.2.1Khảo sát sự phụ thuộc của Kp đối với bộ điều khiển PID

Để khảo sát sự phụ thuộc của chất lượng điều khiển theo Kp, ta sử dụng phần mềm matlab Ta khảo sát với bộ điều khiển Kp có độ tăng từ 100 đến 200 Với nhiều giá trị cần khảo sát, ta sử dụng vòng lặp for Tạo hàm truyền kín bằng lệnh phản hồi Nhập các lệnh vào cửa sổ

ylabel('Position of shaft, \theta (radians)')

title('Sự phụ thuộc của đáp ứng hệ thống theo Kp')legend('Kp = 100', 'Kp = 150', 'Kp = 200')

Phóng to và độ vọt lố :

Phóng to hình và đo thời gian xác lập:

Ta có bảng sau :

Nhận xét: Tăng Kp thì độ vọt lố tăng Thời gian lên và thời gian xác lập đều giảm nhưng

Nhận xét: Kp quá lớn dẫn đến hệ thống ổn định sau một khoảng thời gian rất dài =>Kết luận: từ 2 phần trên, ta đưa ra kết luận rằng: Khi tăng Kp, độ vọt lố tăng, thời gian xác lập và sai số xác lập đều giảm nhỏ Tăng Kp đến một giá trị cao nhất định hệ thống sẽ bị mất ổn định Vì khi có vọt lố mà tiếp tục tăng Kp thì hệ thống sẽ mất thêm một khoảng thời gian nữa để ổn định lại

title (‘ đáp ứng hệ thống điều khiển’);

legend (‘Ki=150’, ‘Ki=200’, ‘Ki=250’, ‘Ki=300’);xlabel (‘Thời gian’);

Phóng to hình để xem độ vọt lố:

Nhận xét: khi tăng Ki thì độ vọt lố tăng

Phóng to hình để xem thời gian xác lập

Phóng to hình để đo thời gian lên

Nhận xét: Khi tăng Ki, thời gian xác lập tăng, thời gian lên lại giảm và ngược lạiNhận xét tổng: khi Ki tăng thì cả thời gian xác lập và độ vọt lố đều tăng nhưng

thời gian lên lại giảm

3.2.3 Khảo sát sự phụ thuộc của Kd đối với bộ điều khiển PID

J = 0.01;b = 0.1;K = 0.01;R = 1;

ylabel (‘vi tri’);

title (‘ đap ung he thong đieu khien’);

legend (‘Kd=10’, ‘Kd=40’, ‘Kd=70’, ‘Kd=100’);xlabel (‘Thoi gian’);

Phóng to hình để xem độ lọt vố:

Phóng to để xem thời gian xác lập:

Phóng to để xem thời gian lên:

Nhận xét: Kd tăng độ vọt lố giảm, thời gian xác thực tăng, thời gian lên lại giảm

KẾT LUẬN VÀ BÀI HỌC KINH NGHIỆM

Điều khiển và kiểm soát vị trí của động cơ DC là một chủ đề thú vị, đây là mô hình nghiên cứu có tính thực tế cao, là cơ sở cho việc điềukhiển máy móc, kiểm soát và điều khiển rô bốt, nền tảng cho phát triển những mô hình tự động hóa sau này.

Sau quá trình thực hiện bài tập lớn đã có thể hiểu cách thức mô hình háo một hệ thực tế Biết cách sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab và chạy thử hệ thống trên mô hình simulink Biết cách khảo sát một hệ thống tự động và phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào các thông số bên ngoài (cụ thể trong bài là đáp ứng của động phụ thuộc vào mô men quán tính của rotor) Bài tập lớn đã tạo điều kiện thực hành việc thiết

kế bộ điều khiển và chạy thử trên máy Khảo sát vào đưa ra kết quả của sự phụ thuộc đáp ứng hệ thống vào thông số bộ điều khiển, có thể tự căn chỉnh đáp ứng hệ thống theo ý muốn.

Những thuận lợi trong quá trình thực hiện bài tập lớn: nguồn tài liệu dồi dào và sát với chủ đề, giáo viên hỗ trợ nhiệt tình, cung cấp tài liệu đầy đủ Thời gian tìm hiểu và nghiên cứu dài, với sự hỗ trợ của internet kết hợp với kiến thức đã tích lũy trong quá trình học tập trên lớp giúp việc hoàn thành bài tập lớn trở nên nhanh chóng Tuy nhiên vẫn còn nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện, điều khiện thực hành và làm việc trên máy tính còn hạn chế nên việc tiếp xúc với dạng bài tập này còn nhiều bỡ ngỡ.

Trong quá trình làm bài sẽ không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy, với mục tiêu hoàn thành bài tập lớn một cách hoàn chỉnh, mọi nhận xét, đóng góp của thầy cô