O cáo thí nghiệm môn lý thuyết Điều khiển nâng cao nhóm 4 – tổ l08 – hk232

Mô hình quạt và tắm phăng chứa rất nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thông như: thời hằng động cơ, thời gian trễ của luỗng khí, cực cộng hưởng và nhiễu động lớn.. Ảnh hưởng của các thông s

; BAI THI NGHIEM 2 ; DIEU KHIEN HE QUAT VA TAM PHANG

1 Mục đích

Mô hình quạt và tam phang được thê hiện như ở Hình 1 Mô hình quạt và tắm

phăng chứa rất nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thông như: thời hằng động cơ, thời

gian trễ của luỗng khí, cực cộng hưởng và nhiễu động lớn Ngoài ra, mô hình này là

một mô hình phi tuyên, cho phép sinh viên có thê khảo sát hệ thống các điểm làm

việc khác nhau

Trong bải thí nghiệm này, sinh viên tập trung khảo sát các vân đề sau:

e Liên hệ giữa tốc độ quay của motor và lực đây của quạt

e - Khảo sát ảnh hưởng của thời gian trễ lên chất lượng hệ thông

¢ Khao sat và thiết kế bộ điều khiển PID xung quanh điểm làm việc tĩnh Khảo sat anh hưởng của các đặc tính phi tuyến của hệ thống lên chất lượng điều khiến

se - Xây dựng biểu đỗ Bode cho hệ thống Từ đó xây dựng bộ điều khiển đảm bảo chất lượng điều khiển dựa trên phương pháp biêu đồ Bode

2 Thí nghiệm

2.1 Khảo sát đáp ứng của hệ thông

Trong thí nghiệm này, sinh viên khảo sát 2 yếu tô:

e Khao sat môi liên hệ giữa điện áp và tốc độ quạt Ki

® - Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ quạt tới góc nghiêng của tắm phăng Từ mô hình lý thuyết của hệ thống mục 3 l, trong phạm vi góc khảo sát nhỏ ta co thé xem liên hệ giữa góc nghiêng và

tốc độ quạt theo công thức sau:

y= kạQ Trình tự thí nghiệm:

a Mở file fan plate gam.mdl

b Đặt điện áp điều khiển ngõ vào là 2V

c Biên dịch chương trình và chạy

d Mở Scope, ghi nhận kết quả tốc độ quạt và góc nghiêng trạng thái xác lập

Ghi kết quả vào các Bảng tương ứng

e Lặp lại các bước b đến d với các điện áp còn lại nhu trong Bang 2.2 va bang 3

Đồ thị kọ theo điện áp đầu vào:

Dien ap dau vao (V)

File Edit View Insert Tools Desktop Window Help

© D6 thi cia ky theo điện áp đầu vào tăng dần đến khi giá trị điện áp là 8V sau đó giảm dân khi càng

tăng giá trị điện áp lên cao

Dien ap dau vao (V)

Đồ thị kọ theo điện áp đầu vào:

Nhận xét:

10

Dien ap dau vao (V)

¢ D6 thi cua K, theo điện áp ngõ vào thay đổi tăng đần đến một giá trị xác định sẽ không tăng nữa

và giữ cô định

e - Đồ thị của kọ theo điện áp đầu vào tăng dần đến khi giá trị điện áp là 4V sau đó giảm dân khi càng

tăng giá trị điện áp lên cao

1.1 Thiết kế bộ điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler — Nichols

2.2.1 Tìm thông số tới hạn và thiết kế bộ điều khiển PID

Bang Thông số bộ điều khiển PID ở 2 vị trí quạt

2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều khiển

Khảo sát ảnh hưởng của K; Vẽ đáp ứng của hệ thông trong cả ba trường hợp Kp = Kyo/2, Kp = Kyo, Kp = 2K với quạt đặt ở vị trí 1, cho Kp = Kpo, Ki = Kw

2Ko với quạt đặt ở vị trí 1, cho Kp = Kao, Kp = Kyo

Nhận xét: Giá trị K¡ càng lớn thì độ vọt 16 cang tang, sai số xác lập giảm, thời gian xác lập giảm Kéo theo đó, hệ thông có dao động lớn và kém ổn định

Khảo sát ảnh hưởng của Ko Vẽ đáp ứng của hệ thống trong cả ba truéng hop Kp = Kao/2, Ko = Kao, Ko =

2K với quạt đặt ở vị tri 1, cho K; = Kio, Kp = Kyo

Nhận xét: Giá trị Ko càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thê dẫn

File Edit View Insert Tools Desktop Window Help

Bảng đáp ứng tần số khi quạt ở vị trí 2:

f(Hz) A/Ao L (dB) At Aøf) 0.1 Hz 1.493 3.48119ĩ 0.02 0.72

Biểu đồ Bode pha:

16

10

107

Biéu dé Bode bién:

Biểu đồ Bode pha:

3 Tra loi câu hỏi

1 Vị trí quạt ảnh hưởng như thế nào đến hệ số k0 ở thí nghiệm mục 5.1?

VỊ trí quạt càng xa làm k0 vọt lô trong mức điện áp 6-12 V

2 Vị trí quạt ảnh hưởng như thế nào đến Kph và Tu ở thí nghiệm muc 5.2.1?

Vị trí quạt càng gần làm cho Kgh càng tăng lên và Tu giảm xuống

3 Ảnh hưởng của các thông số Kp, Ki, Kd đến chất lượng điều khiển của hệ thống ở thí nghiệm mục 5.2.2? So sanh voi két quả mồ phỏng ở phần chuẩn bị thí nghiệm?

Khâu khuếch đại Kp ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống: Kp càng lớn, hệ thống càng mắt 6n định Khâu tích phân Ki ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống (tăng POT, tqđ): Ki càng lớn độ vọt lỗ càng

cao Do Ki có tác dụng làm tăng bậc vô sai hệ thông nên cải thiện được exl

Khâu vi phân ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống: giúp cải thiện POT, tqd nhưng đồng thời rất nhạy với nhiễu tân số

4 Nhận xét chất lượng điều khiến ở các điểm làm việc tĩnh khác nhau ở trong thí nghiệm mục Š.2.2.d Giải thích?

Góc ban đầu đặt khác nhau nên yxl khác nhau và chất lượng hệ thông thay đôi : Góc đặt càng cao thì tqd càng lớn bởi vì đây là hệ phi tuyến © ngõ vào ảnh hưởng đến chất lượng ngõ ra

5 Tính độ dự trữ biên, pha của hệ thống ở thí nghiệm mục 5.3 Thiết kế bộ điều khiển dựa trên kết quả khảo sát trong trường hợp quạt ở vị trí 1 để đảm bảo GM > 10DB, ®M > 450

Vì ở bài thí nghiệm, chúng em không thé tính được độ dự trư biên, pha theo kết quả mô phỏng nên không thực hiện được yêu cầu nay

BÀI THÍ NGHIỆM 3 DIEU KHIEN VI TRI DONG CO DC DUNG BO TU CHINH

(SELF-TUNING REGULATOR)

1 Muc dich

Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ khảo sát đáp ứng vị trí của động cơ DC theo thời gian khi tín hiệu đâu vào thay đôi đề nhận dạng hàm truyền của động cơ Dựa vào tham sô nhận dạng sinh viên sé xây dựng bộ điều khiến thí nghĩ tự chỉnh định theo phương pháp đặt cực

Ngoài ra bài thí nghiệm còn giúp sinh viên hiểu rõ ánh hưởng của hệ số quên lên tốc độ hội tụ của các

tham số cần nhận đạng

Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:

® Biết cách xây dựng thuật toán nhận dạng off-line và on-line cho một đôi tượng tuyên tính bậc 2

® Biết cách xây dựng bộ điều khiên tự chỉnh định đề điều khiến vị trí động cơ DC theo phương pháp đặt

cực

2 Kết quả thí nghiệm

2.1 Nhận diện hàm truyền đối tượng

- Mở file motor model initm và chạy để khởi tạo tín hiệu đầu vào uk, các thông số thời gian lấy mẫu

T và thời gian mô phỏng Tstop

- _ Biên dịch va chay file motor model.mdl dé thu thập số liệu

- Thay d6i các giá trị lamda trong ñlr motor model init.m sao cho đồ thị hiển thị các thông số ước

lượng thăng và hội tụ nhất

Lần chạy 1: Lamda = 0.997

b) Mở khối ‘Identification’ viét bé sung code vao cho day du:

L = P *PHI/(lamda + PHI'*P *PHI);

P = 1/lamda*(P_ - P_*PHI*PHI'*P /(lamda + PHI'*P *PHI));

Theta = Theta_ + L*e;

g0 = 1/(bi1)*(di+i-ai-gama); % Luat dieu khien

đ) Sau khi hoàn thành việc viết code, biên dịch và chạy chương trình

e) Mử scope đề xem đáp ứng.Nhận xét chất lượng hệ thông

*Nhận xét: đáp ứng ngõ ra có độ vot 16 rất cao,thời gian quá độ ngõ ra tương đối lớn=>không bám sát

mô hình chuẩn.Cần tinh chỉnh cặp cực quyết định đề có đáp ứng tốt hơn

f)_ Thay đôi cặp cực quyết định bằng cách thay đôi e và œn và đề ngõ ra không vọt lố Nhận xét ảnh hưởng của e, œn lên chất lượng hệ thông

€=0.8,@,=20

€=1.2,@,=20

€=1.3,@,=20

€=1.2,@,=30

1.2,@„=10

E=

—————

Khi tăng £ đáp ứng ngõ ra có xu hướng giảm độ vọt 16, và thời gian quá độ theo công thức:

b) Mở khối ‘Identification’ viét bô sung code vào cho đầy đủ (xem ở phần trên)

c) Mở khối ‘Self-Tuning Regulator’ viét b6 sung code vao cho day du function

u=STR_pp2(Theta, wk, yk, u_)

% Luat đieu khien

œ=0.7;8=0.5

œ=0.6;8=0.4

h

Nhận xét:

®œ,B có giá trị sao cho cặp cực œ + đj nằm càng gần gốc tọa độ thì chất lượng hệ thông càng tốt do khi cặp cực cảng gần gốc tọa độ thì e càng lớn suy ra độ vọt lỗ càng thấp, thời gian quá độ càng nhỏ

3 Trả lời câu hỏi

1 Từ bảng số liệu ở Bảng 1, viết hàm truyền rời rạc vị trí động cơ Nhận xét ảnh hướng của hệ

số quên 2 lên sai số ước lượng

- Ham truyền TỜI rạc vị trí của động cơ:

J=_ 0.03746Z_+8.9556z ˆ 1—1.5197z ˆ+0.56042 z ˆ

- Ảnh hưởng của hệ số 2 lên sai số ước lượng:

+ Ý nghĩa của 2 là hệ số quên, theo công thức:

vt> 1 62 ¿1V ye "Nope

+ Khi 2 càng lớn hệ thống càng phải tính nhiều mẫu trước đó đề ước lượng thông số dẫn đến tốc độ

xử lý chậm, sai số ước lượng giảm chậm

+ À cảng nhỏ thì hệ thống sẽ bỏ qua các mẫu trước đó (do xap xi = 0), chỉ xét đến các mẫu gần nhất, nên tốc độ xử lý nhanh, sai số ước lượng giảm nhanh

+ Tuy nhiên À bé mà có nhiễu, các thông số hệ thông sẽ thay đổi theo nhiễu dẫn đến ước lượng không chính xác Trong trường hợp này có thê tăng hệ số 2 để giảm ảnh hưởng của nhiễu do khi tăng A sé tính toán thông số dựa trên nhiều mẫu nhưng đổi lại tốc độ thích nghi bị chậm

2 Dựa vào kết quả thí nghiệm ở mục 5.2, nhận xét chất lượng của hệ thống (độ vọt lố, thời gian quá độ, sai số xác lập)

- _ Trong mục 5.2 chất lượng của hệ thông thay đổi theo vị trí của cặp cực quyết định Cặp cực quyết định càng nằm xa trục ảo và càng gân trục thực thì chất lượng của hệ thống càng tốt (độ vọt lồ thấp, thời gian quá độ ngắn)

- _ Khi tăng e đáp ứng ngõ ra có xu hướng giảm độ vọt lồ, và thời gian quá độ theo công thức:

3 Dựa vào kết quả thí nghiệm ở mục 5.3, nhận xét chất lượng của hệ thống (độ vọt lố, thời gian quá độ, sai số xác lập)

- _ Tương tự 5.2 trong phan 5.3 chất lượng của hệ thống của thay đổi theo vị trí cặp cực quyết định

- a vaficé gia tri sao cho cặp cực quyết định z* = ơ+j B nằm càng gần gốc tọa độ thì chất lượng của hệ thống càng tốt do khi cặp cực quyết định nằm càng gần gốc tọa độ thì hệ số e càng lớn suy ra độ vọt lỗ càng thấp, thời gian quá độ càng nhỏ

- Cụ thê độ lớn + j càng nhỏ cặp cặp quyết định càng gần gốc tọa độ, chất lượng của hệ thong càng tot

1 Mục đích

Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ khảo sát đối tượng có trễ là lò nhiệt và xây dựng bộ điều khiên

PID auto-tuning cho déi tượng lò nhiệt Bộ điều khiển nhiệt độ rất pho biến và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Việc điều khiển nhiệt độ với độ vọt lỗ và sai số xác lập nhỏ là cần thiết và quyết định

tới chất lượng sản phẩm cần gia nhiệt

Dựa vào kết quả thu thập từ đáp ứng vòng kín, sinh viên sẽ tìm được độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống Sau khi tìm được các thông số này, sinh viên sẽ xây dựng bộ điều khiên PID auto-tuning

đê diều khiến nhiệt độ Mục tiêu sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này:

e Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của mô hình lò nhiệt từ bộ điều khiển ONOFF để thiết kế bộ điều khiển PID

e Xây dựng bộ điều khiên PID auto-tuning cho đối tượng lò nhiệt

2 Kết quả thí nghiệm

2.1 Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thông để cài đặt thông số cho bộ điều khiển PID

2.1.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ điều khiển ON-OFF

Từ các giá trị KC và TC tính các thông số của bộ điều khiến PID:

- “Hình 2 Đáp ứng ngõ ra khi sử dụng Độ diéu khién PID

Bảng chât lượng hệ thông:

2.2 Điều khiển thich nghi PID auto-tuning

Giải thích biến cnt có chức năng gì?

© Biến cnt có chức năng đếm thời gian Sau mỗi 1s biến cnt sẽ tăng lên l

Thời điểm A, B được xác định bằng cách nào?

© Thời điểm A, B được xác định bằng sự chuyền đổi của ngõ ra relay Khi ngõ ra relay chuyên tiếp

từ OFF sang ON biến ¡dx sẽ tăng lên I Khi chuyên tiếp lần đầu biến idx = 1 tương ứng với thời điểm A

(T1 = ent) , chuyền tiếp lần tiếp theo idx = 2 tương ứng với thời điểm B (T2 = cnt) Thời gian TC = T2-

Tl

Hình 3 Đáp ứng ngõ ra khi sử dụng bô điều khién PID auto-tuning

Nhận xét: Sau khoảng thời gian 990 giây hệ thống chuyên từ chế độ ON-OFF sang PID

3 Trả lời câu hỏi

1 Từ bảng số liệu ở Bảng 1, xác định độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ

thống? Đánh giá chất lượng của hệ thống khi bộ điều khiển PID được thiết

kế theo công thức (3)-(5)?Ảnh hưởng của hệ số anpha lên chất lượng hệ

thống?

-Theo như hình I chất lượng của hệ thống khi bộ điều khiên PID được thiết kế theo công thức (3)-(5)

khá tốt gần như không có độ vọt lố, thời gian xác lập thấp và sai số xác lập thấp

- Trong công thức trên, ngoại trừ 2 thông số Kc và Te và đặc tính thông số vật lý của hệ thông không

thé thay đổi được thì chất lượng của hệ thong con phụ thuộc vào a va DM:

¢ ®M tang thi hé số khuếch đại KP tăng sẽ làm tang d6 vot 16, giảm sai số xác lập

® ơ tăng làm giảm hệ số Td, tăng hệ số T¡ dẫn đến giảm hệ số Kd và Ki làm tăng thời gian xác

-Theo thí nghiệm 5.2 sau khoảng thời gian 990 giây thì hê thống chuyền từ ON-OFF sang PID

-Có thê giảm thời gian này bằng cách tăng hệ số Output when on đề nhiệt độ tăng nhanh hơn

3 Nhận xét chất lượng của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID autotuning (độ vọt lố, thời

gian xác lập, sai số xác lập)?

- Chất lượng của hệ thôn khi sử dụng bộ điều khiển PID auto-tuning kha tốt do tính chính xác được

các hệ số KP, KI, KD:

e Độ vọt lố gần như bằng 0

e Thời gian quá độ thấp (thời gian lâu hơn hình 2 do có thêm bộ điều

khiên ON-OFF đề xác định thông số)

® Sai sô xác lập bé

BÀI THÍ NGHIỆM 5 DIEU KHIEN HOI TIEP BIEN TRANG THAI

D Mục tiêu

®©- Biết cách xây dựng và mô phỏng mô hình điều khiển hệ thống xe — lò xo đùng

phương pháp điều khiên hồi tiếp biến trạng thái

® Biết cách thu thập dữ liệu và nhận dạng mô hình đối tượng xe — lò xo

® - Đánh giá được chất lượng điều khiển dùng phương pháp điều khiên hồi tiếp biến

® lim ki, bị:

Bảng số liệu sau khi thu thập: