Báo cáo bài thí nghiệm số 5 khảo sát bộ Điều khiển pid cho hệ thí nghiệm Động cơ dc

Bai so 6 Khao sát bộ điều khiến PID cho hệ thí nghiệm động cơ DC 6.1 Mục đích thí nghiệm Bài thí nghiệm tập trung vào tìm hi êu nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong mô hình thí ng

BAO CAO BAI THI NGHIEM SO 5

Khảo sát bộ điều khiển PID cho hệ thí nghiệm động co DC MON: THUC TAP HỆ THONG DIEU KHIEN TỰ ĐỘNG

GVHD: TS TRAN DUC THIEN SVTH: NGUYEN MINH HOANG MSSV: 19151127

Tp Hà Chí Minh, ngày 23 tháng 3 năm 2022

6.5.4 Két nói và chương trình Sử dụng ¿2c c2: S x22 1181111 111tr gưet 5 6.5.5 Chương trình mô hình động cơ St St E E99 HH 5

6.6.1 Xây dựng bộ điều khiên vòng hở ¿2c c2: S322 211 1211511112111 E1 set 9

6.7 Kháo sát bộ điều khiến PID

6.7.1 Khao sat đáp ứng ngõ ra của hệ thông với Ki=0, Kd=0, và thay đổi Kp 10 6.7.2 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thông với Kp=120, Kd=0 và thay đổi Ki 12 6.7.3 Khao sat đáp ứng ngõ ra của hệ thông với Kp=120, Ki=10 và thay đôi Kd 13 6.7.4 Thiết kế bộ điều khiên PID ¿c1 t1 1 19321 3 91231 EEE1EEE tre 14

6.8 Câu hỏi mở: c Q HH TH nọ KT ii KT kg Eh 16 6.9 Tài liệu tham khảO ccccc c ĐnnĐSS ĐT Tp E g K Kọ T k g kế 16

Bai so 6 Khao sát bộ điều khiến PID cho hệ thí nghiệm

động cơ DC

6.1 Mục đích thí nghiệm

Bài thí nghiệm tập trung vào tìm hi êu nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong mô hình thí nghiệm động cơ một chiều; Thiết lập các chương trình điều khiến vòng hở không

quan sát, có quan sát và hồi tiếp âm; Tìm hi ếu chương trình nhúng giải thuật điều khiến

PID cho mô hình động cơ; Khảo Sắt sự ảnh hưởng của các thông số bộ điều khiển PID

lên chất lượng điều khiến của hệ thống

6.4 Yêu cầu chuẩn bị:

Các nhóm sinh viên cần chuẩn bị trước các kiến thức sau trước khi tới lớp thực hành

Encoder là gì? Có bao nhiêu loai encoder?

Chi ra sự khác nhau giữa encoder tuyệt đối và tương đối?

Trình bày cách tính góc quay của động cơ từ số xung của encoder

Mạch câu H là gì?

Cài đặt thu vién Arduino Simulink vao phan mém MATLAB

Xây dựng chương trình điều khiển dong co trén MATLAB Simulink

Hình 6 2: Sø đồ nối dây mô hình động cơ

Trong Hình 6.2 là sơ đồ nói dây của mô hình động cơ, trong đó sử dụng vi điều khiến trung tâm là Arduino mega 2560 Mega 2560 sẽ điều khiển mạch công suát L298H đề

điều khiển động cơ sau đó nhận tín hiệu phan hồi về từ encoder Neudn tổ ong 12V cấp

6.5.4 Két néi và chương trình sử dụng

Mỗi hộp điều khiên khi sử dụng chỉ kết nói với một trong ba mô hình: động cơ, lò

nhiệt, bồn nước Khi muốn sử dụng mô hình động cơ, ta cắm dây kết nói từ hộp điều

khiến theo công tương ứng trong Hình 6.6 với công ở mô hình trong Hình 6.7

Hình 6 7 Công kết nổi ở động cơ

6.5.5 Chương trình mô hình động cơ

Hình 6 8: Chương trình module động cơ

fl Block Parameters: Saturation x

Saturation Limit input signal to the upper and lower saturation values

Main Signal Attributes

Upper limit:

255

| Lower limit:

-255

| @ Treat as gain when linearizing

Enable zero-crossing detection

a Cancel Help Apply

Hình 6 9 Khéi Saturation

Hình 6 10: Chương trình trong khối L298

Encoder_arduino Read the position of a quadrature encoder

Source code Parameters Encoder: 0

PinB: 3

SampleTime: 0.01

OK Cancel Help Apply

Hinh 6 11: Khéi encoder

function out = cal(u)

%% Pulse : 12 xung 180 Hop so

- Bude 1: G thẻ Home trong giao diện Matlab ta chọn vào Add-Ons Cửa s6 Add-On

Explorer sẽ hiện lên

pula yee highrapee Design analyze, evd te Workflows

Hình 6 14:Cza số Add-On Explorer

Bước 2: Trong phản Search của cửa số Add-On Explorer ta nhập từ khóa “Simulink support

package for arduino hardware” Théng tin vé tool ta can sé hién ra.

now available

20 RESULTS

Simulink Support Package for Arduino Hardware

y MathWorks Strslink Tea

Run models on Arduino boards

3341

jpdat

Overview eviews (132 Discussions (209)

Requires

Editor's Note: Popular File 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 mulink

MATLAB Release Compatibility

Created with R2014a All empower y logy Come

sysiems on n Arduino, emia ‘simulation to implementation

Contents

» Automated Build, Deployment, and Execution

« Library of Simulink blocks for Arduino peripherals like ADC, PWM, Serial, 120, SPI

» Communicate with Hardware in Normal Mode Simulation Using Connected UO mode

= Real-Time parameter tuning and signal acquisition using Extemal mode

= Examples focused on different i Robotics, Sig ng loT

» Guide to create custom device driver Simulink block for Arduino library

+ Code Verlfication and Validation with Processor-in-the-Loop (PIL) using Embedded Coder®

Platform Compatibility [2 Windows [Z] mac0S [2 Linux

Categories

s k>S

~ Hinh 6 16 Cai dat Simulink support package for arduino hardware 6.1.1.2Thuw vién Module cho déng co

Bước 1: Vào Matlab Simulink để tái Device Driver, nhân Add-Ons như Hình 6.17 dưới đây:

am & ag Hew Varette

FrxT] me C Ð Uses Ð ngược » Downloads » New Íoider (4) >

Curren Folder 9) 2Ÿ Editor - CALsersnguye\Downicads\ New folder (4\PIDMaPhengm

Hinh 6 17 Add-Ons trong Matlab-Simulink

Bước 2: Add Device Driver như Hình 6.18 sau:

Hoặc có thể truy cập link để tải Device Driver về máy tính:

Requires

@ sm Editor's Note: This file was selected as MATLAB Central P

MATLAB Roloase Compatibility

This package contans a guide that explains in a step-by-step fashion, how to develop device driver blocks (blocks that perform target

specific functions when executed on @ target platform),

Categories are includec

4 Yifvle the examples are built using the Arouino as the hardware platform (specifically relying on the Simulink Support Package for

Arduino), the method applies to any cther supported target

In this guide, the first method to develop device drivers is based on the S-Function Bulder block Faloning chapters also ¢

different methods based respectively on the Legacy Code tool the MATLAB function block, and the System Obpect block Advantages

Hinh 6 18: Thu vién Device Drivers

This PC > Downloads >» New folder (6)

{BB DriversGuide 1/18/2022 10:59 PM WinRAR ZIP archive 1,930 KB

Hinh 6 19 Gidi nén Drivers Guide Buéc 4: Sau khi giai nén xong, truy cap vao file SYS/encoder_arduino_test.slx như hinh Hinh 6.20 va Hinh 6.21 sau:

| Ga sys (18/2022 11:05 PM File folder

"™ encoder_slsp_mega 12/20/2012 6:23 AM Simulink Model ( 192 KB

*w input_slsp 12/20/2012 6:22 AM Simulink Model ( 56 KB

®*w output_slsp 12/20/2012 622 AM Simulink Model ( 56 KB

*% coutput_slsp_maskedl 4/17/2014 8:46 AM Simulink Model ( 58 KB

renc2cpp 10/13/2013 8:19 AM MATLAB Code 4KB

Hình 6 20: Các file có trong file giới nén DriversGuide

°W analog_output_arduino_test

*( analog_output_taspi_test AnalogOutput_arduino AnalogOutput_raspi

°W digitalwrite_arduino_test

DigitalWrite_raspi Encoder_arduinc

Hinh 6 22: Encoder Block trong Simulink

6.6 Yêu cầu thực hiện:

6.6.1 Xây dựng bộ điều khiến vòng hở

Hình 6.23 trình bày chương trình bộ điều khiến vòng hở trên MATLAB Simulink Tín

hi ệu đặt gồm có hai loại tín hiệu là hằng số và sine Như trình bày ở phân trên, khối MATLAB Function được sử dụng đề chuyên tín hiệu đặt có thẻ âm hoặc dương thành các tín hiệu cung cáp lần lượt cho các khói PWM (8) và Digital Output (26,28) Lưu ý:

Thông qua vè thực hiện bộ điều khiển vòng hở sẽ giúp cho chúng ta kiêm tra được mạch công suất và động cơ hoạt động có tốt hay không?

Hình 6 23: Sơ dồ khối bộ điều khiên vòng hở không có hồi tiếp

Xây dựng bộ điều khiến hồi tiép PID:

Hinh 6.24 trinh bay chuong trinh b6 diéu khién hồi tiếp PID cho động cơ DC Tín hiệu

ngõ đặt là hàm s†ep với biên độ là 360 Tín hi ệu đặt được so sánh với tín hiệu ngõ ra của khối encoder Sau khi đã được chuyên đổi từ số xung sang độ Lưu ý: Việc thiết lập khối encoder có thê xem trong mục 6.2.2

6.7 Khảo sát bộ điều khiển PID

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

Yêu câu:

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 khién ứng với các thông số bộ điều khiên khác nhau Lập bảng xác định các thông sô chát lượng bộ điều khiên ứng với các thông sô bộ điều khiên khác nhau

Nhận xét: Khi nhóm tăng Kp từ 0.5 đến 10 thì tín hiệu điều khiến có 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 đôi báng khảo sát thông số Kp

Bang 1: Báng thông số chát lượng điều khiển khi thay đổi Kp

Sai sé xac lap (Ess):

Thời gian lên (T :):

Hình 6 27 : Tín hiệu điều khiển khi thay đổi Kp

Nhận xét: Khi tăng Kp thì ® giảm nhưng khi ta tăng Kp sẽ có vọt lỗ và xuất hiện sai

số xác lập Đồng thời khi nhóm tăng Kp quá 100 thì tín hiệu điều khiến U sẽ bị bão hòa như ở Hình 6 28

Giải thích: Do khâu P trong bộ PID đóng vai trò là khâu tí lệ nên khi đưa tính hiệu đầu

vào thì tín hiệu ngõ ra sẽ được khuếch đại, hệ só Kp càng lớn thì tin 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 dàn mắt ôn định do không thẻ bám theo giá trị được đặt

trước

6.7.2 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 khiên khác nhau

Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiến ứng với các thông số bộ điều khiển khác nhau Lập bảng xác định các thông só chất lượng bộ điều khiến ứng với các thông số bộ điều

Hình 6 29: Sai số giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu ngé ra khi thay đổi Ki

khi tăng Ki lên càng cao thì Sai Số tăng nhanh và hệ thông mát ôn định

Giải thích: Ki là khâu tích phân, khâu này sẽ cộng dồn tất cá các sai só trước đó kết hợp

với khâu tí lệ sẽ tăng sự chuyền động của hệ thống tới điểm đặt nhanh hơn và đồng thời

khử sai số, nhưng do là cộng dôn sai số nên nó có thẻ gây vọt ló

6.7.3 Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=120, Ki=10 và thay đối Kd 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 khiên ứng với các thông số bộ điều khiên khác nhau Lập báng xác định các thông sô chát lượng bộ điều khiên ứng với các thông số bộ điều

khiến khác nhau

Báng 3: B¿ng thông số chát lượng điêu khiển khi thay đổi Kd

Sau khi có bảng dữ liệu khi thay doi Kd, ta tính toán lại các thông6ữ(%), E (Deg ›,

T9 › Tu) bằng cách áp dụng các công thức đã trình bày ở (0.1), (0.2), (0.3):

Dap ung ngo ra khi thay doi Kd

Hình 6 34: Tín hiệu điều khiển ki thay đổi Kd

Nhận xét: khi giữ Kp và tăng Kd thi „, E (Deg/ $ giảm, T, tăng nhưng khi tăng Kd quá cao thì sai số tăng nhanh và hệ thông mát ôn định

Giải thích: Do Kp là khâu vi phân sẽ làm chậm tóc độ thay đôi đầu ra của bộ điều khiên

nên sẽ giảm biên độ vọt ló cho hệ thông

6.7.4 Thiết kế bộ điều khiến PID

- Vẽ đáp ứng của tín hiệu điều khiến

* Xác định các thông só POT, Ess, Tr và Tss trên hình vẽ

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

Ki, Ka lan hot la: Kp=110, Ki=4.5, Ka=2

Hinh 6 35: Dap eng ngé ra va tin hiéu diéu khién cua hé thong

PID Controller for DC Motor

Hình 6 37 Tín hiệu đều khiển

Ta tính toán lại các thông sớ'OT(%), E (Deg/ $, T.@), T(s) Áp dụng các công thức đã

Ess=lim @ f= lms p- (0.5)

Thời gian lên (T:):

Anh huéng cua bé diéu khién PID déi với các thông số chất lượng:

Bo diéu khién tý lệ (P) có tác dụng làm giảm sai số xác lập tuy nhiên đáp ứng của

hệ Sẽ càng dao động, độ vọt lồ càng cao Néu Kp quá cao thì hệ sẽ mát ôn định

Bộ điều khiến tích phân tí lệ (Pl) sẽ triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng lại

có thẻ làm giảm chất lượng của đáp ứng quá độ

Bộ điều khiên vi phân tí lệ (PD) giám độ vọt lố, làm nhanh đáp ứng hệ thông, giám

thời gian xác lập, tuy nhiên thời gian lên càng nhanh thì sẽ gây ra vọt lô

Bộ điều khiên vi tích phân ti lệ nêu được chọn các thông só Kp, Ki, Kd phù hợp thì

sé cai thiện được đáp ứng quá độ (POT, Tss) đồng thời giám sai số xác lap (Ess) D6 vot 16 POT:

- Kp tang => POT tang, néu tang qua cao thi hé sé mat 6n dinh

- Ki tang => POT tang

- Kd tăng => POT giảm, nêu Kd tăng đến mức thời gian lên Tr quá ngắn thì lại bắt đầu xuất hiện lại POT

Sai sé xac lap Ess:

- Kp tang => Ess tang

- Ki tang => Ess giam dan vé 0

- Kd tăng => Ess không đổi

Thời gian lên Tr:

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

- Ki tang => Tr giảm nhẹ

- Kd tang sé lam tăng đáp ứng hệ thống => Tr giảm

Thời gian xác lap Tss:

- Kp tang => Tss thay déi khong dang ké

- Ki tang lam cham dap ung qua độ => Tss tăng

- Kd tăng đáp ứng hệ thông Sẽ nhanh hơn => làm giảm TS

Lưu ý: Trong bộ điều khiển PID, Sự các tác động này có thẻ không chính xác, vì KP, KỊ

và KD phụ thuộc lẫn nhau Thực ra, thay đối một trong các thông sô này có thẻ làm thay

đôi tác động của hai thông số còn lại

6.9 Tài liệu tham khảo

-_ “Lý thuyết Điều khiên tự động”, Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, NXB ĐHQG TPHCM

- “Bai giang Diéu khién tự động”, Nguyễn Thế Hùng

- “MATLAB for Control System Engineers” Rao V Dukkipati

- “MATLAB for Control Engineers” Katsuhiko Ogata

- Video huéng dan vé nhiéu dir ligu trén mét dé thi:

- _ Video hướng dẫn thiết kế bộ điều khiên PID và Fuzzy trén MATLAB Simulink

đề lập trinh cho Adruino: www.youtube.com/watch ?v=tyz44ztDNPw&t=744s,