báo cáo thí nghiệm hệ thống điều khiển số

>> stepH4Nhận xét:Với chu kì trích mẫu T=0.01s thì đáp ứng bước nhảy của mô hình gián đoạn của ĐCMC dao động mạnh hơn nhiều so với chu kì trích mẫu T=0.1s...  Kết quả mô phỏng:Nhận xét

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

Người hướng dẫn: ThS.Nguyễn Việt Dũng

Sinh viên thực hiện: Vũ Văn Phương MSSV:20111971

Lớp: ĐK-TĐH1-K56 Gz5 T=0.1ms

Phương pháp trích mẫu:TUSTIN

HÀ NỘI 04/11/2014

Mục lục

Bài thực hành số 1:Tìm mô hình gián đoạn của ĐCMC 3

1.1 Sơ đồ cấu trúc của ĐCMC kích từ độc lập 3

1.2 Tìm hàm truyền đạt của mô hình: 3

1.3 Mô phỏng các mô hình gián đoạn thu được bằng mô phỏng simulink: 7

1.4 Xây dựng mô hình trạng thái của ĐCMC trên miền thời gian liên tục 9

Bài thực hành số 2:Thiết kế khâu điều chỉnh dòng phần ứng 14

2.1.Tìm hàm truyền của khâu điều chỉnh dòng phần ứng 14

2.2 Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp deat-beat 14

2.3 Thiết kế bộ điều chỉnh theo phương pháp cân bằng mô hình: 16

Bài thực hành số 3:Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay 21

3.1 Tìm hàm truyền đạt gián đoạn của đối tượng điều khiển tốc độ 21

3.2 Thiết kế BĐk PI theo phương pháp gán điểm cực 22

3.3 Thiết kế BĐK PI theo tiêu chuẩn tích phân bình phương 25

3.4 Mô phỏng khảo sát vòng điều chỉnh tốc độ quay 29

Bài thực hành số 4:Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ quay 32

4.1 Phản hồi trạng thái sao cho đáp ứng có dạng PT 1 (điểm cực nhận giá trị thực dương trên miền z) 32

4.2 Đáp ứng hữu hạn (Dead-Beat: điểm cực tại gốc tọa độ trên miền ảnh Z) 35

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

Bài thực hành số 1:Tìm mô hình gián đoạn của ĐCMC 1.1 Sơ đồ cấu trúc của ĐCMC kích từ độc lập

Mô hình động cơ một chiều:

1.2 Tìm hàm truyền đạt của mô hình:

zoh foh tustin

Hàm truyền đạt gián đoạn tính bằng tay theo 2 chu kì trích mẫu:

+Sử dụng phương pháp có trong tài liệu [1]: “Bài giảng Điều Khiển Số và các ví dụ minh họa”, ta có:

(1 )

t t

(1 )

A A

t A

T T

1.3 Mô phỏng các mô hình gián đoạn thu được bằng mô phỏng simulink:

Sơ đồ simulink:Với Ttm1=0.1ms

Kết quả mô phỏng

Sơ đồ Simulink:Với Ttm2=0.01ms

Kết quả mô phỏng

Nhận xét:

+Với T=0.1ms và T=0.01ms

Dựa vào đồ thị ta thấy cả 3 phương pháp đều cho kết quả mô phỏng như nhau tươngứng với từng chu kì trích mẫu giống nhau So với trường hợp chu kì trích mẫu

T=0.1ms thì trường hợp T=0.01ms hệ dao động nhiều hơn,lâu đạt tới trạng thái xác lập

do các điểm cực đã bị đẩy ra xa hơn ,gần với biên của đường tròn đơn vị

1.4 Xây dựng mô hình trạng thái của ĐCMC trên miền thời gian liên tục

Mô hình trạng thái của đối tượng:

Kết quả mô phỏng trên không gian trạng thái.

>> step(H3)

>> step(H4)

Nhận xét:Với chu kì trích mẫu T=0.01s thì đáp ứng bước nhảy của mô hình gián đoạn

của ĐCMC dao động mạnh hơn nhiều so với chu kì trích mẫu T=0.1s

Bài thực hành số 2:Thiết kế khâu điều chỉnh dòng phần ứng

2.1.Tìm hàm truyền của khâu điều chỉnh dòng phần ứng.

-Hàm truyền đạt của mô hình đối tượng ĐK dòng:

Gi(s)= . 1 . .1 1

1

s^2 006 -

z1.327-z^2

0.004154+

z0.008307+

z^20.004154

2.2 Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp deat-beat

Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp deat-beat với L(z 1)=l01+l11.z 1+l12.z

a a a

a

a

0 2 1 0

a a a

a

a a a

0 2 1 0

2 1

a a a

a

a a

0 2 1 0

>> Gk=L*B % Hàm truyền đạt của hệ kín khi có bộ điều khiển

Transfer function:

0.06655 + 0.2282 z^-1 + 0.3452 z^-2 + 0.2718 z^-3 + 0.08831 z^-4Sampling time: 0.0001

>> step(Gk) %Mô phỏng đặc tính của hệ kín khi có bộ điều khiển

 Kết quả mô phỏng:

Nhận xét:Khi dùng bộ điều khiển Dead-beat 2 đầu ra đạt giá trị xác lập sau 4 chu kì

trích mẫu

2.3 Thiết kế bộ điều chỉnh theo phương pháp cân bằng mô hình:

A) Giả sử sau 2 bước,giá trị của đối tượng điều khiển sẽ đuổi kịp giá trị đặt của đại lượng chủ đạo

z G z

z^-11.327-1

z^-20.004154+

z^-10.008307+

0.004154

>>Gr1=Gw1/[Giz*(1-Gw1)]

>> Gk1=feedback(Gr1*Giz,1)

>> pole(Gk1)

Ta thu được kết quả:

Kết quả mô phỏng bằng đáp ứng bước nhảy của hệ kín:Trường hợp 1

Trường hợp 2

Mô phỏng bằng simulink với sơ đồ như sau:

Nhận xét:

-Từ đồ thị ta thấy các kết quả khi mô phỏng bằng đáp ứng bước nhảy của hệ kín và môphỏng bằng simulink là giống nhau

-Các điểm cực của hệ kín đều thỏa mãn nằm trong đường tròn đơn vị

-Từ đồ thị ta thấy đúng sau 3 bước đối tượng điều khiển đuổi kịp giá trị đặt của đại lượng chủ đạo.Kết thúc chu kì trích mẫu đầu tiên đầu ra đạt tới giá trị x1của bộ điều khiển.Kết thúc chu kì trích mẫu thứ 2 đầu ra đạt tới giá trị x1+x2 của bộ điều khiển vàtiến tới xác lập

Bài thực hành số 3:Tổng hợp vòng điều chỉnh tốc độ quay 3.1 Tìm hàm truyền đạt gián đoạn của đối tượng điều khiển tốc độ.

Đối tượng tốc độ ở bài này được tính bằng

z^-11.607

-1

^-20.0003656z+

z^-10.0004318

Kết quả mô phỏng trong matlab ta được:

>> step(Gnz1)

Nhận xét:Qua đồ thị ta thấy đối tượng điều khiển tốc độ có dạng khâu tích phân I,hệ thống không ổn định.Như vậy nhiệm vụ đặt ra là phải thiết kế BĐK để đảm bảo đưa hệthống đạt trạng thái xác lập ổn định sau N chu kì trích mẫu

3.2 Thiết kế BĐk PI theo phương pháp gán điểm cực

1 1 0

z r r

Theo mục 2.3.1e) của bài giảng Điều Khiển Số-Thầy Nguyễn Phùng Quang ta có đa

thức bên được coi là đã biết

N(z)=(z-z1)(z-z2)(z-z3)=z^3+a'

2 z^2+a'

1+a' 0

0

1.0000

0.0004

0.0004

1.6070

-0 0.0004

0.6065

r r

6065.0

' 2

' 1

' 0

a a a

0.7306

0.8628 -

0.4431 -

0.5233

2.1172

0.0003

0.0003 -

0.0004

N(z)=(z-0.8+0.153i)(z-0.8-0.153i)(z-z3)=z^3-(1.6+z3)*z^2+(0.663+1.6*z3)*z-Ta tính được:z3=0.9566

1.5875

0.6346 -

122 92 1

r r

1

122 92 6 95

Kết quả mô phỏng:

Nhận xét:điểm cực của hệ kín đã thỏa mãn nằm trong đường tròn đơn vị

- độ quá điều chỉnh tương đối lớn(khoảng 20%),thời gian xác lập:0.007s, sai lệch tĩnh nhanh chóng tiến đến 0

3.3 Thiết kế BĐK PI theo tiêu chuẩn tích phân bình phương.

Do bộ điều khiển của ta có dạng PI nên hàm truyền đạt ở miền ảnh Z của bộ điều khiển là:

Với b0=0;a0=1 ta thu được:

ek +(a1+r0.b1).ek 1+(a2-a1+r0.b2 +r1.b1).ek 2+(r1.b2 -a2 ).ek 3=wk +(a

e3=-e2 *(a1- 1+b1.r1)- e1*(a2 -a1+r1.b2+b1*r2)- (r2.b2-a2 );

Như vậy, ta sẽ đi tìm:

Sử dụng Matlab có:

function F = function2(r)

%UNTITLED Summary of this function goes here

% Detailed explanation goes here

[r,fval]=fminunc('function2',r0,options);

Ta thu được kết quả:

Kiểm tra điểm cực:

Kết quả mô phỏng trên simulink:

Nhận xét:Các điểm cực của hệ thống đã thỏa mãn nằm trong đường tròn đơn vị

Bộ điều khiển PI thiết kế theo tiêu chuẩn tích phân bình phương đã thỏa mãn được yêucầu đặt ra (Thiết kế BĐK với tiêu chí tác động nhanh)

3.4 Mô phỏng khảo sát vòng điều chỉnh tốc độ quay

Ta xét cụ thể trường hợp BĐK PI được thiết kế theo phương pháp Gán điểm cực.(trường hợp BĐK PI thiết kế theo tiêu chuẩn tích phân bình phương có kết quả mô phỏng hoàn toàn tương tự)

+Phụ tải thay đổi đột biến dưới dạng bước nhảy:đặt thêm một tín hiệu bước nhảy

tác động vào đầu ra của hệ thống sau thời điểm 0.015s

Sơ đồ simulink:

Kết quả mô phỏng đáp ứng đầu ra của hệ:

Nhận xét:Khi có tín hiệu nhiễu phụ tải,hệ thống đã nhanh chóng tự đưa về trạng tháixác lập chỉ sau một vài chu kì trích mẫu:

 hệ thống đáp ứng tốt với nhiễu phụ tải:

+Nhiễu giá trị đặt:Giá trị đặt của tốc độ quay thay đổi dưới dạng bước nhảy:

Ta đặt thêm 1 tín hiệu bước nhảy tác động vào hệ thống sau khoảng thời gian 0.015s

Sơ đồ simulink:

Kết quả mô phỏng đáp ứng đầu ra của hệ thống:

Nhận xét:Hệ thống đáp ứng tốt với nhiễu giá trị đặt

Bài thực hành số 4:Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ quay

Xét mô hình của đối tượng ĐK được ta xây dựng ở câu 4 bài TN 1:

Kết quả mô phỏng:

4.2 Đáp ứng hữu hạn (Dead-Beat: điểm cực tại gốc tọa độ trên miền ảnh Z).

Mô hình gián đoạn của đối tượng:

Theo phương pháp dead-beat,chọn điểm cực p2 tại gốc tọa độ:p2=[0,0]

Kết quả mô phỏng:

Kết luận:

-Tổng hợp BĐK tốc độ quay theo phương pháp phản hồi trạng thái sao cho đáp ứng códạng PT1 thì sau nhiều chu kì trích mẫu thì đầu ra mới xác lập

-Tổng hợp BĐK tốc độ quay phương pháp Dead – Beat thì sau 2 chu kì trích mẫu đầu

ra đạt xác lập nhưng kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng bước nhảy của đối tượng có sai lệch tĩnh lớn