Báo cáo thực tập hệ thống Điều khiển tự Động

BÀI 6: Khảo sát bộ điều khiển PID vận tốc góc cho hệ thí nghiệm động cơ DC 6.1 Mục đích thí nghiệm Bài thí nghiệm tập trung vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong mô hìn

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -⸙∆

⸙ -Báo cáo thực tập hệ thống điều khiển tự động

Sinh viên thực hiện: Đinh Đức Huy 21151460

Tp Hồ Chí Minh, 2023

Trang 2

Mục lục

5.1 Mục đích thí nghiệm 1

5.4 Yêu cầu thực hiện 1

5.4.3 Xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp PID 1

5.4.4 Khảo sát bộ điều khiển PID 2

5.4.4.1 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Ki=0, Kd=0, và thay đổi Kp 2

5.4.4.2 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=4, Kd=0 và thay đổi Ki 8

5.4.4.3 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=4, Ki=0.2 và thay đổi Kd 14

5.4.5 Thiết kế bộ điều khiển PID 21

Trường hợp 1: 21

Trường hợp 2: 21

5.5 Câu hỏi mở 23

Trang 3

BÀI 6: Khảo sát bộ điều khiển PID vận tốc góc cho hệ thí nghiệm động cơ DC 6.1 Mục đích thí nghiệm

Bài thí nghiệm tập trung vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong mô hình thí nghiệm động cơ một chiều; Thiết lập các chương trình điều khiển vòng hở không quan sát, có quan sát và hồi tiếp âm; Tìm hiểu chương trình nhúng giải thuật điều khiển PID vận tốc góc cho mô hình động cơ; Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số bộ điều khiển PID lên chất lượng điều khiển của hệ thống

6.4 Yêu cầu thực hiện

Để điều khiển mô hình động cơ DC, ta cần điều khiển theo các bước như sau:

Bước 1: Điều khiển vòng hở.

Bước 2: Điều khiển vòng hở có tín hiệu đọc về từ Encoder.

Bước 3: Điều khiển vòng kín

6.4.3 Xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp PID

Hình 6.26: Sơ đồ khối bộ điều khiển vận tốc vòng kín PID

Hình 6.26 trình bày chương trình bộ điều khiển vận tốc hồi tiếp PID cho động cơ DC

6.4.4 Khảo sát bộ điều khiển PID

6.4.4.1 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Ki=0, Kd=0, và thay đổi Kp

Yêu cầu:

- Tín hiệu đặt là hàm Step với biên độ là 200, thời gian mô phỏng là 10s, thời gian lấy mẫu là 0.01s, chương trình mô phỏng là MATLAB 2018b

- Vẽ các đáp ứng vận tốc của động cơ DC ứng với các thông số bộ điều khiển khác nhau

- Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiển ứng với các thông số bộ điều khiển khác nhau

- Lập bảng xác định các thông số chất lượng bộ điều khiển ứng với các thông số bộ điều khiển khác nhau

Trang 4

E ss(Deg/s)

T r(s) 0.338 Txl(s)

K p = 0.5

- Đáp ứng tín hiệu điều khiển

- Đáp ứng ngõ ra động cơ

Trang 5

K p = 1

- Tín hiệu điều khiển

K p = 2

Trang 6

K p = 4

Trang 7

6.4.4.2 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=2, Kd=0 và thay đổi Ki

Yêu cầu:

- Tín hiệu đặt là hàm Step với biên độ là 200, thời gian mô phỏng là 10s, thời gian lấy mẫu là 0.01s, chương trình mô phỏng là MATLAB 2019a

Trang 8

POT(%)

E ss(Deg/s)

T r(s) Txl(s)

K i = 0.1

Trang 9

K i = 0.2

K i = 0.5

K i = 1

Trang 10

6.4.4.3 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kd=0, Ki=0 và thay đổi Kp

Yêu cầu:

- Tín hiệu đặt là hàm Step với biên độ là 40 (vòng/phút) , thời gian mô phỏng là 10s, thời gian lấy mẫu là 0.01s, chương trình mô phỏng là MATLAB 2019a

POT(%)

E ss(Deg/s)

T r(s) Txl(s)

K d=0.1

- Đáp ứng ngõ ra

K d=0.2

K d=0.5

Trang 11

- Đáp ứng ngõ ra động cơ DC

K d=1

6.4.4.4 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=0.4, Kd=0 và thay đổi Ki

Yêu cầu:

POT(%)

E ss(Deg/s)

T r(s) Txl(s)

K d=0 02

Trang 12

6.4.4.5 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Ki=0.4, Kd=0 và thay đổi Kp

Yêu cầu:

POT(%)

E ss(Deg/s)

T r(s) Txl(s)

K d=2.5

K d=5

K d=10

Trang 13

K d=20

6.4.4.6 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=10, Kd=0 và thay đổi Kp

POT(%)

E ss(Deg/s)

T r(s) Txl(s)

K i=0.5

K i=1

Trang 14

K i=2.5

K i=5

6.4.5 Thiết kế bộ điều khiển PID

Trường hợp 1:

- POT < 5 %

- Ess < 1

- Tr < 1.1

- Tss < 1.4

Yêu cầu:

- Vẽ các đáp ứng của ngõ ra động cơ DC

- Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiển

- Xác định các thông số POT, Ess, Tr và Tss trên hình vẽ

Trang 15

Trang 16

Trường hợp 2:

- POT =0%

- Ess < 0.5

- Tr <1.5

- Tss<2

Yêu cầu:

- Vẽ các đáp ứng của ngõ ra động cơ DC

- Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiển

- Xác định các thông số POT, Ess, Tr và Tss trên hình vẽ

Trang 17

Đáp ứng ngõ ra động cơ

Trang 18

5.5 Câu hỏi mở

Trình bày ảnh hưởng của của các thông số bộ điều khiển PID lên các chất lượng của hệ thống (POT, Ess, Tr, Tss)

- POT

1.Kp

- Tăng hệ số P thường dẫn đến sự gia tăng độ vọt lố Mức độ tăng này phụ thuộc vào giá trị của hệ số P; khi hệ số này lớn, độ vọt lố thường cũng lớn

Trang 19

- Tuy nhiên, nếu hệ số P quá lớn, nó có thể tạo ra dao động và làm tăng độ vọt lố một cách không mong muốn

2 Ki

- Hệ số I thường giúp giảm độ vọt lố của hệ thống Khi sử dụng một hệ số I phù hợp, nó giúp giảm thiểu độ biến đổi và điều chỉnh lỗi trong quá trình hội tụ về giá trị đặt ban đầu

3 Kd

- Hệ số D thường có tác động giảm độ vọt lố trong hệ thống Nó có khả năng kiểm soát

độ biến đổi nhanh của tín hiệu điều khiển, từ đó giảm thiểu dao động và làm giảm độ vọt lố

Sai số xác lập của hệ thống, hay lỗi ổn định tĩnh (Steady-State Error - Ess), đo lường sự khác biệt giữa giá trị đầu ra thực tế và giá trị đặt ban đầu khi hệ thống đã hội tụ và đạt trạng thái ổn định Ảnh hưởng của các thông số bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) lên sai số xác lập có thể được mô tả như sau:

- Ess

1 Kp

- Hệ số P có thể ảnh hưởng đến sai số xác lập theo cách sau:

- Tăng hệ số P có thể làm giảm sai số xác lập, đặc biệt khi sai số này là do hệ thống có dạng khác biệt cao và tốc độ đáp ứng nhanh

- Tuy nhiên, quá trình điều chỉnh P cần cân nhắc để tránh quá tinh chỉnh và gia tăng sai số xác lập

2 Ki

- Hệ số I có vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sai số xác lập Nó tích luỹ lỗi dưới dạng tích phân và giúp hệ thống tiến dần về giá trị đặt ban đầu

- Tăng hệ số I có thể giảm sai số xác lập, đặc biệt trong trường hợp hệ thống có sai số xác lập do điều kiện ban đầu không ổn định

- Tuy nhiên, nếu hệ số I quá lớn, nó có thể gây ra dao động và làm tăng sai số xác lập

3 Kd

- Hệ số D không ảnh hưởng trực tiếp đến sai số xác lập của hệ thống

Trang 20

- Tr

1 Kp

- Tăng hệ số P thường làm giảm thời gian lên của hệ thống Hệ số P ảnh hưởng đến độ nhạy của hệ thống đối với sai số, và khi tăng P, hệ thống phản ứng nhanh hơn để giảm sai số

- Tuy nhiên, quá tinh chỉnh P có thể làm gia tăng dao động và dạng sóng, vì vậy cần cân nhắc kỹ lưỡng để tránh tạo ra một hệ thống không ổn định

2 Ki

- Hệ số I không ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian lên của hệ thống Nhiệm vụ chính của

I là giảm sai số xác lập (Steady-State Error) và không có tác động lớn đến thời gian lên

3 Kd

- Hệ số D thường giúp làm giảm dao động và dạng sóng, nhưng không ảnh hưởng nhiều đến thời gian lên của hệ thống

- Hệ số D có thể giúp kiểm soát tốc độ biến đổi của tín hiệu điều khiển, nhưng thường không có tác động đáng kể đến thời gian lên

- Tss

1 Kp

- Tăng hệ số P có thể làm giảm thời gian xác lập của hệ thống Hệ số P tác động trực tiếp lên độ nhạy của hệ thống đối với sai số, và khi tăng P, hệ thống phản ứng nhanh hơn

để giảm sai số

- Tuy nhiên, quá tinh chỉnh P có thể làm gia tăng dao động và dạng sóng, có thể ảnh hưởng đến thời gian xác lập Thông qua việc cân nhắc cẩn thận, bạn có thể tối ưu hóa thời gian xác lập và độ vọt lố của hệ thống

2 Ki

- Hệ số I có tác động đến sai số xác lập (Steady-State Error) và không ảnh hưởng nhiều đến thời gian xác lập Nhiệm vụ chính của I là giảm sai số xác lập đến gần với 0 sau một khoảng thời gian dài

3 Kd

- Hệ số D có thể giúp giảm dao động và dạng sóng, nhưng không ảnh hưởng đáng kể đến thời gian xác lập của hệ thống Hệ số D thường kiểm soát tốc độ biến đổi của tín hiệu điều khiển và giúp làm giảm dao động

Tiêu đề	Báo cáo thực tập hệ thống điều khiển tự động
Tác giả	Đinh Đức Huy
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Tự Động Điều Khiển
Thể loại	Báo cáo thực tập
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	3,34 MB