Báo cáo bài thí nghiệm khảo sát bộ Điều khiển pid cho hệ thí nghiệm Động cơ dc môn thực tập hệ thống Điều khiển tự Động

- Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiển 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.

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

- ∆ - ⸙ ⸙

BÁO CÁO BÀI THÍ NGHIỆM Khảo sát bộ điều khiển PID cho hệ thí nghiệm

động cơ DC

MÔN: THỰC TẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ

ĐỘNG

GVHD: TRẦN MẠNH SƠN

SVTH: LƯƠNG TRẦN TRUNG ĐỨC – 22151074 PHẠM KIẾN HÀO – 22151075

TRẦN BÌNH MINH – 18151096

Tp Hồ Chí Minh 21 tháng 11 năm 2024

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1:Bảng thông số chất lượng điều khiển khi thay đổi Kp 6

Hình 1.2: Đáp ứng ngõ ra khi thay đổi Kp 6

Hình 1.3: Sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu ngõ ra khi thay đổi Kp 7

Hình 1.4: Tín hiệu điều khiển khi thay đổi Kp 7

Hình 2.1:Bảng thông số chất lượng điều khiển khi thay đổi Ki 8

Hình 2.2:Đáp ứng ngõ ra khi thay đổi Ki 9

Hình 2.3:Tín hiệu điều khiển khi thay đổi Ki 10

Hình 3.1:Bảng thông số chất lượng điều khiển khi thay đổi Kd 11

Hình 3.2:Đáp ứng ngõ ra khi thay đổi Kd 11

Hình 3.3:Tín hiệu điều khiển khi thay đổi Kd 12

Hình 4.1: Bản thông số của điều khiển 1 13

Hình 4.2: Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển 1 13

Hình 4.3: Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển 1 14

Hình 4.4: Bảng thông số của bộ điều khiển 2 15

Hình 4.5: Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển 2 15

Hình 4.6: Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển 2 16

MỤC LỤC

I Yêu cầu thực hiện 4

II Khảo sát bộ điều khiển PID 6

1 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Ki=0, Kd=0, và thay đổi Kp 6

2 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=120, Kd=0 và thay đổi Ki 9

3 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Ki=0, Kd=0, và thay đổi Kp 11

III Thiết kế bộ điều khiển PID 13

1 Bộ điều khiển 1 13

2 Bộ điều khiển 2 15

IV Câu hỏi mở 17

I Yêu cầu thực hiện

Chương trình trong khối L298:

Chương trình trong khối Calib:

Khối Saturation:

Thiết lập modeling

Thiết kế Hardware Implementation:

II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II Khảo sát bộ điều khiển PID

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

Yêu cầu:

- Vẽ các đáp ứng của ngõ ra 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.

thông số bộ điều

khiển khác nhau.

thay đổi nhưng đáp

ứng ngõ ra của động cơ thì không bám theo tín hiệu đặt ban đầu, sai số ngõ ra cũng lớn.

Vì vậy nhóm quyết định thay đổi bảng khảo sát thông số Kp.

POT(%) 0.505 0.505 0.505 0.505 0.505 0.505 Exl(Deg/

s)

0.33 0.615 0.077 0.039 0.029 0.016

Tr(s) 0.441 0.406 0.221 0.210 0.207 0.212 Txl(s) 0.76 0.68 0.88 0.91 0.95 1

Hình 1.1:Bảng thông số chất lượng điều khiển khi thay đổi Kp

Hình 1.2: Đáp ứng ngõ ra khi thay đổi Kp

Time(s) 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

KP1

KP3 KP5

Hình 1.3: Sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu ngõ ra khi thay đổi Kp

Hình 1.4: Tín hiệu điều khiển khi thay đổi Kp

Time(s) -1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

KP40 KP100 KP400

Time(s)

-500

0

500

1000

1500

2000

KP=40

KP=100

KP=400

Nhận xét: Khi tăng Kp thì exl giảm nhưng sẽ có vọt lố và thời gian xác lập lâu hơn Đồng thời khi tăng Kp quá 100 thì tín hiệu điều khiển U sẽ bị bão hòa

Giải thích: Do khâu P trong bộ PID đóng vai trò là khâu tỉ lệ nên khi

đưa tính hiệu đầu vào thì tín hiệu ngõ ra sẽ được khuếch đại, hệ số Kp càng lớn thì tín hiệu đầu vào khuếch

đại càng nhiều dẫn tới sai số hệ thống giảm Nhưng khi tăng Kp quá lớn cho dù sai số hệ thống có nhỏ thì hệ thống dần mất ổn định do không thể bám theo giá trị được đặt trước.

2 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=120, Kd=0 và thay đổi Ki

Yêu cầu:

- Vẽ các đáp ứng của ngõ ra 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 sốbộ điềukhiển khác nhau.

Hình 2.1:Bảng thông số chất lượng điều khiển khi thay đổi Ki

đổi Ki

Time(s)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Ki=2 Ki=4 Ki=6 Ki=8 Ki=10 Ki=15

Time(s)

-100

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Ki=2 Ki=4 Ki=6 Ki=8 Ki=10 Ki=15

Hình 2.3:Tín hiệu điều khiển khi thay đổi Ki

Nhận xét: Khi giữ nguyên Kp và tăng Ki thì POT, Txl ,Tr có sự dao

động tăng giảm còn Ess giảm

Giải thích: Ki là khâu tích phân, khâu này sẽ cộng dồn tất cả các

sai số trước đó kết hợp với khâu tỉ lệ sẽ tăng sự chuyển động của

hệ thống tới điểm đặt nhanh hơn và đồng thời khử sai số, nhưng

do là cộng dồn sai số nên nó có thể gây vọt lố

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

Yêu cầu:

-Vẽ các đáp ứng của ngõ ra 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.

Ess (Deg /

s) 0.16 0.195 0.221 0.113 0.155 0.183

Tr (s) 0.241 0.247 0.277 0.311 0.673 0.858

Hình 3.1:Bảng thông số chất lượng điều khiển khi thay đổi Kd

Hình 3.2:Đáp ứng ngõ ra khi thay đổi Kd

time 0.5

1

1.5

2

2.5

3

Kd=5 Kd=10 Kd=20 Kd=40 Kd=20

Hình 3.3:Tín hiệu điều khiển khi thay đổi Kd

Nhận xét: khi giữ Kp và tăng Kd thì Tr tăng, các thông số Ess, POT, Txl dao động

tăng giảm

Giải thích: Do Kp là khâu vi phân sẽ làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra của bộ điều

khiển nên sẽ giảm biên độ vọt lố cho hệ thống

III Thiết kế bộ điều khiển PID

1 Bộ điều khiển 1

•POT<5%

•Ess < 1.

• Tr <1.

• Tss<2.

Yêu cầu:

• Vẽ đáp ứng của ngõ ra động cơ DC.

• Vẽ đáp ứng của tín hiệu điều khiển.

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

Từ thực nghiệm và phương pháp thử sai, nhóm đã chọn ra được bộ

time 500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Kd=4 Kd=5 Kd=10 Kd=20 Kd=40 Kd=20

Nhóm chọn được bộ thông số như sau: K p =150 , K i =3 ,K d=6

(K p =150 , K i =3 ,K d=6 )

Hình 4.1: Bản thông số của điều khiển 1

Hình 4.2: Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển 1

Time(s)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Output Input

Time(s)

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

Tin hieu dieu khien PID

Hình 4.3: Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển 1

2 Bộ điều khiển 2

• POT <5%

• Ess < 1

• Tr <1

• Tss<2

Yêu cầu:

• Vẽ đáp ứng của ngõ ra động cơ DC.

• Vẽ đáp ứng của tín hiệu điều khiển.

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

Txl (s) 0.494

Hình 4.4:Bảng thông số của bộ điều khiển 2

Time(s)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Output Input

Hình 4.6: Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển 2

IV 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)?

Ảnh hưởng của bộ điều khiển PID đối với các thông số chất lượng:

Bộ điều khiển tỷ lệ (P) có tác dụng làm giảm sai số xác lập tuy nhiên đáp ứng của hệ sẽ càng dao động, độ vọt lố càng cao Nếu

Kp quá cao thì hệ sẽ mất ổn định

Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ (PI) sẽ triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng lại có thể làm giảm chất lượng của đáp ứng quá độ

Bộ điều khiển vi phân tỉ lệ (PD) giảm độ vọt lố, làm nhanh đáp ứng

hệ thống, giảm thời gian xác lập, tuy nhiên thời gian lên càng nhanh thì sẽ gây ra vọt lố

Time(s)

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Tin hieu dieu khien PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ nếu được chọn các thông số Kp, Ki,

Kd phù hợp thì sẽ cải thiện được đáp ứng quá độ (POT, Tss) đồng thời giảm sai số xác lập (Ess)

Độ vọt lố POT:

- Kp tăng => POT tăng, nếu tăng quá cao thì hệ sẽ mất ổn định

- Ki tăng => POT tăng

- Kd tăng => POT giảm, nếu Kd tăng đến mức thời gian lên Tr quá ngắn thì lại bắt

đầu xuất hiện lại POT Sai số xác lập Ess:

- Kp tăng => Ess tăng

- Ki tăng => Ess giảm dần về 0

- Kd tăng => Ess không đổi Thời gian lên Tr:

- Kp tăng sẽ làm tăng đáp ứng hệ thống => Tr giảm

- Ki tăng => Tr giảm nhẹ

- Kd tăng sẽ làm tăng đáp ứng hệ thống => Tr giảm Thời gian xác lập Tss:

- Kp tăng => Tss thay đổi không đáng kể

- Ki tăng làm chậm đáp ứng quá độ => Tss tăng

- Kd tăng đáp ứng hệ thống sẽ nhanh hơn => làm giảm Tss

Lưu ý: Trong bộ điều khiển PID, sự các tác động này có thể không chính xác, vì KP, KI và KD phụ thuộc lẫn nhau Thực ra, thay đổi một trong các thông số này có thể làm thay đổi tác động của hai thông số còn lại