Báo cáo bài số 4 Ứng dụng simulink trong mô phỏng và Đánh giá chất lượng của hệ thống

-Khi thông số KI tăng, sai số xác lập được loại bỏ, thời gian xác lập và độ vọt lố tăng, đến một lúc nào đó hệ thống mất ổn định, bị dao động quá lớn và không... Kd=0.9 Nhận xét : Khi th

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

-⸙∆⸙ -

MÔN: THỰC TẬP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

BÁO CÁO BÀI SỐ 4 ỨNG DỤNG SIMULINK TRONG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG

GVBM: Nguyễn Phong Lưu SVTH: Bùi Hoàng Quang Khải MSSV: 22151101

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2024

4.3 YÊU CẦU THỰC HIỆN

4.3.1 Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ

a) Hàm truyền gần đúng của hệ lò nhiệt

b) Dùng Simulink xây dựng mô hình điều khiển vòng hở lò nhiệt như Hình 4.6

c) Hãy thiết kế bộ điều khiển PID cho lò nhiệt dùng phương pháp Zeigler- Nichols

d) Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ

d1) Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển P ( KI 0, KD 0 )

Kp=0.02

Kp=0.03

Kp=0.04

Kp=0.05

Nhận xét:

Khi Kp càng tăng thì hệ thống càng dao động nên độ vọt lố tăng và sai số xác lập giảm Nhưng nếu Kp tăng quá mức thì hệ thống sẽ mất ổn định Vì:

Ta có công thức bộ điều khiển PID:

Với e là tín hiệu vào bộ điều khiển, u là ngõ ra bộ điều khiển Nếu Kp lớn thì dù e nhỏ cũng sinh ra u rất lớn => Hệ thống vọt lên nhanh chóng để làm e càng nhỏ càng tốt Đôi khi vọt quá đà sinh ra vọt lố và làm hệ thống mất ổn định

d.2) Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển PI ( kp = 0.024, kD = 0 )

Ki=0.0005

Ki=0.0007

Ki=0.001

Nhận xét chất lượng của hệ thống thay đổi như thế nào khi kI thay đổi

-Khi thông số KI tăng, sai số xác lập được loại bỏ, thời gian xác lập và độ vọt lố

tăng, đến một lúc nào đó hệ thống mất ổn định, bị dao động quá lớn và không

Kd=0.1

Kd=0.3

Kd=0.5

Kd=0.9

Nhận xét :

Khi thông số KD tăng dần tới giá trị phù hợp với hệ thống thì độ vọt lố và thời

gian xác lập giảm (như trường hợp với KD=0.1 ở bảng trên )

So sánh chất lượng của bộ điều khiển PID với bộ điều khiển P, PI

-Bộ điều khiển P có thể làm cho ngõ ra tăng nhanh, nhưng có thể bị vọt lố nếu

KP lớn do đó thời gian xác lập dài, và khi tồn tại sai số xác lập nhỏ, khi nhân với

KP thì tín hiệu điều khiển gần như là bằng 0, nên luôn luôn tồn tại sai số xác lập

này ở bộ điều khiển P

-Bộ điều khiển PI có thành phần tích phân Ui có tác dụng làm giảm sai số xác

lập về 0 một cách nhanh chóng, hỗ trợ cho nhược điểm của bộ điều khiển P Bộ

điều khiển PI vẫn gặp khó khăn trong việc điều khiển một số hệ thống phi tuyến

cao và không ổn định Bộ điều khiển PI không có tác dụng làm giảm thời gian

xác lập, khi dùng vẫn còn độ vọt lố cao, vì thế bộ điều khiển PI không thể dự

đoán được xu hướng sự thay đổi của error

-Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp

Nó có 1 số ưu điểm :

+ Phản ứng nhanh khi tín hiệu đầu vào thay đổi (thành phần D)

+ Tăng tín hiệu điều khiển để error trở về 0 nhanh chóng (thành phần I)

+ Tăng/Giảm tín hiệu điều khiển trực tiếp tương tự với tín hiệu error

(thành phần P)

d.4 Nhận xét ảnh hưởng của các khâu P, I, D đến chất lượng của hệ thống

-Khâu P: làm giảm rise time và error, nhưng vẫn không hoàn toàn loại bỏ được error

-Khâu I: làm giảm sai số xác lập về 0, giúp cho đáp ứng ngõ ra bám theo tín hiệu vào Làm tăng tín hiệu điều khiển nếu Kp thấp và giảm tín hiệu điều khiển nếu

4.3.2 KHẢO SÁT MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

a) Tìm hệ phương trình biến trạng thái mô tả hệ với hai biến trạng thái x1=i và x2=ω

b)Tìm hàm truyền của động cơ

C) Từ hàm truyền tìm được ở câu b, hãy thiết kế bộ điều khiển PI theo tiêu chuẩn modun tối ưu

D) Xây dựng mô hình điều khiển tốc độ động cơ như sau:

Thực hiện mô phỏng trên matlab simulink như hình bên dưới:

Với hàm truyền động cơ được mô phỏng như sau:

Sai số ngõ ra của động cơ với bộ điều khiển PI

Tín hiệu điều khiển của động cơ với bộ điều khiển PI

d.1)Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển P (kI = 0, kD = 0)

Kp=10

Kp=20

Kp=30

Ki=50

Ki=100

Ki=200

- Sơ đồ mô phỏng động cơ dùng phương trình trạng thái:

Nhận xét: Khối động cơ được mô tả bằng hệ phương trình biến trạng thái có ngõ ra

ổn định, POT thấp, sai số xác lập được triệt tiêu, thời gian xác lập ngắn,và không bị mất tính ổn định như ở khối động cơ được mô tả bằng hàm truyền

Bảng so sánh ưu nhược điểm của sử dụng hàm truyền và kỹ thuật không gian trạng thái

Hàm truyền Kỹ thuật không gian trạng thái

Ưu điểm - Kỹ thuật thiết kế trong

miền tần số, cho biết độ lợi của hệ thống theo tần số hoạt động

- Có ứng dụng biến đổi Laplace và các phép tính toán đại số đơn giản

- Dùng trong điều khiển hiện đại, áp dụng được trong nhiều lĩnh vực

- Áp dụng cho mô tả hệ thống có nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO), kiểm soát được nhiều biến cùng lúc và có thể hình dung hệ thống đang vận động

- Mô tả được trạng thái vật lý của hệ thống

- Hpt không gian trạng thái được dùng cho cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến

- Kỹ thuật thiết kế trong miền thời gian thuận tiện cho hệ thống nhiều biến đầu vào và ra

- Không có phương trình vi phân bậc cao

- Việc sử dụng biểu diễn không gian trạng thái không giới hạn ở các hệ thống có thành phần tuyến tính và điều kiện ban đầu bằng không

- Có thể sử dụng bộ điều khiển PID Nhược điểm - Chỉ áp dụng cho hệ thống

có 1 input và 1 output (SISO)

- Hàm truyền không xem xét các điều kiện ban đầu của hệ thống và chỉ sử dụng cho hệ thống tuyến tính

- Không hình dung được tính chất vật lí của hệ thống

- Phải tính toán, chuyển từ hệ thống tuyến tính sang phi tuyến theo tiêu chuẩn Lyapunov và xác định sự ổn định của hệ bằng định lý Lyapunov…

- Phải kiểm tra các điều kiện, khả năng

có thể quan sát, khả năng có thể điều khiển trước khi thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống

Thực hiện khảo sát hệ thống với bộ điều khiển P (k I = 0, k D = 0)

Độ vọt lố, sai số xác lập và thời gian quá độ khi Kp thay đổi

Sai số ngõ ra của động cơ với bộ điều khiển Pi

Tín hiệu điều khiển của động cơ với bộ điều khiển Pi

Mô tả lò nhiệt bằng 2 khâu quán tính

Mô phỏng bằng matlab Simulink cho hàm truyền mô tả bởi hai khâu quán tính: K = 250, T1=20s, T2=100s

Cách 1: hai khâu quán tính

Cách 2: 1 khâu quán tính, 1 khâu trễ

Nhận xét và đánh giá chất lượng điều khiển:

- Với hàm truyền cách 2 sử dụng khâu quán tính thay vì khâu trễ thì mô tả gần đúng hơn với hệ lò nhiệt

-Đáp ứng hệ thống: POT% = 31.4, exl = 0, txl = 205s

tính và 1 khâu trễ là tốt hơn so với 2 khâu quán tính