BÀI THÍ NGHIỆM 5 QUẠT VÀ TẤM PHẲNG

Mô hình quạt và tấm phẳng được thể hiện qua Hình 1. Mô hình này mô tả hoạt động của các đối tượng khí động học, mục tiêu điều khiển là góc của tấm phẳng bằng cách điều khiển luồng gió thông qua tốc độ quạt. Sự biến động của không khí xung quanh tấm phẳng xem như là nhiễu động của mô hình. Mô hình này có ý nghĩa rất lớn trong các hệ thống khí động học như trực thăng, máy bay bốn cánh, xe hơi ứng dụng khí động học.v

BÀI THÍ NGHIỆM QUẠT VÀ TẤM PHẲNG Page of 21 I Phaቹ n 1: Giới Thiệ u I.1 Giới thiệu chung Giới thiệu: Mơ hình quạt phẳng thể qua Hình Mơ hình mơ tả hoạt động đối tượng khí động học, mục tiêu điều khiển góc phẳng cách điều khiển luồng gió thơng qua tốc độ quạt Sự biến động khơng khí xung quanh phẳng xem nhiễu động mơ hình Mơ hình có ý nghĩa lớn hệ thống khí động học trực thăng, máy bay bốn cánh, xe ứng dụng khí động học Hình 1: Mơ hình quạt phẳng Mơ hình bao gồm đặc trưng sau: • Hệ thống sử dụng động để thay đổi tốc độ quạt điều khiển dòng khí, hệ thống chịu ảnh hưởng đặc tính động cơ; dòng khí khơng thể tác động tức vào phẳng điện áp motor thay đổi • Q trình chứa thời gian trễ, cần phải có thời gian để dòng khí tác động vào phẳng • Đĩa đóng vai trò lắc hệ thống bị ảnh hưởng cộng hưởng • Nhiễu động áp suất ngồi dòng khí tác động lên hệ thống Page of 21 • Ngồi ra, việc thay đổi khối lượng đĩa thay đổi thời hệ thống nhiễu tải I.2 Mô tả phần cứng: Trong mơ hình quạt phẳng, khảo sát ảnh hưởng ngõ tốc độ quạt tới góc nghiêng phẳng Mơ hình khảo sát trường hợp Hình Hình nhằm khảo sát ảnh hưởng thời gian trể lên hoạt động mơ hình Sơ đồ khối phần cứng mơ tả Hình Trong đó, bo mạch PC104CARD phần cứng trung tâm thí nghiệm Bo mạch PC104CARD xây dựng tảng FPGA Altera có khả giao tiếp với máy tính thông qua phần mềm Matlab/ Simulink/ Real-time Windows Target với tính sau: • Digital Input / Digital Output: DI / DO • Điều rộng xung (PWM): kênh độ phân giải 0.1% (~ 10bit) • Encoder: kênh encoder x4 • Analog Input: kênh ADC 12bit tầm đo – 10V • Analog Output: kênh DAC 12bit tầm – 2V • Giao tiếp với máy tính thơng qua cổng máy in theo chuẩn EPP Động DC sử dụng thí nghiệm có điện áp định mức 24VDC encoder độ phân giải 400 xung/vòng Tín hiệu điều rộng xung Pulse hướng Dir điều khiển động chạy với tốc độ chiều quay mong muốn: • Điện áp cấp cho động sau qua Motor Driver TPWM * 24 /1000 (V), TPWM giá trị điều rộng xung từ (0 – 1000) tương ứng với độ phân giải 0.1% • Tốc độ động (đơn vị vòng/phút) tính theo phương pháp đo thời gian chu kỳ xung encoder A hướng quay xác định thông qua so sánh lệch pha tín hiệu encoder A B • Vị trí động tính tốn qua mạch encoder x4, có nghĩa động quay vòng (3600) ta đọc 4x400 = 1600 xung Ngõ Analog Output (AO) cho giá trị tốc độ vị trí động theo giá trị analog Kênh AO thứ xuất giá trị từ (0V – 2V) dùng cho giá trị đặt, kênh AO thứ hai xuất giá trị từ (0V – 2V) tương ứng với tốc độ quay động từ (0 rpm – 1000 rpm), kênh AO thứ ba xuất giá trị từ (0V – 2V) tương ứng với vị trí động từ (0 vòng 00 – 10 vòng) Ngõ vào Analog Input nhận tín hiệu điều khiển analog để xuất tín hiệu điều rộng xung tới động Page of 21 lm lp Hình 2:Mơ hình quạt phẳng quạt đặt gần (vị trí 1) Hình 3:Mơ hình quạt phẳng quạt đặt gần (vị trí 2) Page of 21 Hình 4:Sơ đồ kết nối mơ hình máy tính I.3 Phần mềm Phần mềm sử dụng thí nghiệm phần mềm Matlab/ Simulink/ Realtime Windows Target Công cụ Real-time Windows Target cho phép mơ hình Simulink có khả kết nối với phần cứng bên chạy theo thời gian thực Để biên dịch chạy mơ hình Simulink liên kết với phần cứng sinh viên phải thực bước trình tự sau: • Tạo mở file simulink Hình • Vào menu Simulation -> Configuration, chọn mục Solver để cài đặt thông số thời gian mô (Simulation time) phương pháp mô (Solver Options) Hình • Vào menu Tool -> Real-Time Workshop -> Build Model (hoặc nhấn chuột trái vào biểu tượng Incremental Build) để biên dịch mơ hình • Sau mơ hình biên dịch thành cơng, vào menu Simulation -> Connect To Target (hoặc nhấn chuột trái vào biểu tượng Connect To Target) để kết nối mơ hình Simulink tới phần cứng • Vào menu Simulation -> Run (hoặc biểu tượng Run) để tiến hành chạy mơ hình Page of 21 Run Connect To Target Incremental Build Hình 5: Mơ hình Simulink kết nối phần cứng Hình 6: Cài đặt thông số Page of 21 II Phaቹ n 2: Cơ sở lý thuyeቷ t II.1 Cơ sở lý thuyết: II.1.1 Mơ hình tuyến tính hệ thống quanh điểm làm việc bất kỳ: Về mặt vật lý, động học hệ thống chia thành thành phần theo sơ đồ Hình 7: Hình 7:Sơ đồ khối hệ quạt phẳng Mơ hình động Hàm truyền mơ tả liên hệ tốc độ quạt Ω( s) điện áp ngõ V (s) vào: G1 ( s ) = Ω( s ) K1 = V ( s ) T1s + (1) Trong T1 thời motor, Mơ hình dòng khí từ cánh quạt đến phẳng Phương trình liên hệ tốc độ quạt lực đẩy tác động lên phẳng: F = k Ω2 (2) Hàm truyền mô tả thời gian để dòng khí từ cánh quạt đến phẳng: G2 ( s ) = e −τ s (3) Trong đó, τ thời gian trễ luồng khí từ cánh quạt đến phẳng Mơ hình mơ tả liên hệ lực tác động lên phẳng Hàm truyền mơ tả tác động dòng khí góc nghiêng phẳng: G3 ( s ) = ψ (s) F ( s) = AlP cosψ Js + bs + MglM cosψ + F0 AlP sinψ (4) Page of 21 Trong A tiết diện phẳng; J moment quán tính phẳng; ψ góc làm việc l p khoảng cách tâm quay tâm lực tác động; lM khoảng cách tâm quay trọng tâm phẳng; b hệ số damping II.1.2 Thiết kế điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols cho hệ bậc 2: Khảo sát hệ kín theo sơ đồ Hình 8: Cho K= 0, chỉnh u0 để ngõ hệ thống gần điểm làm việc mong muốn Trong thí nghiệm này, góc làm việc 100 xem tuyến tính xung quanh điểm cân 00; sinh viên cho u0 = để khảo sát Đặt ngõ vào R = θ = 100 góc điều khiển mong muốn Tăng K kết điều khiển dao động Hình Từ xác định K gh (giá trị K mà hệ thống dao động) chu kỳ tới hạn Tu (chu kỳ dao động ngõ ra) hệ thống Các thông số điều khiển PID cho hệ thống xác định theo bảng sau: Bảng 1: Thông số điều khiển PID theo phươngZiegler-Nichols pháp Kp Ti Td P controller 0.5K gh PI controller 0.45 K gh PID controller ∞ Tu 0.6 K gh 1.2 Tu Tu Chú ý từ Ti, Td ta tính hệ số Ki K d sau: Ki = K p / Ti K d = K p * Td E R K Plant Y u0 Hình 8: Sơ đồ khối khảo sát Kgh Tu Page of 21 Tu Hình 9: Đồ thị đáp ứng Kgh II.1.3 Phương pháp vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống thực: Xét hệ thống tuyến tính với ngõ vào sóng sine Trong lý thuyết điều khiển ta biết đáp ứng ngõ sóng sine có tần số biên độ pha khác Hình 10 Tỉ số biên độ ngõ với biên độ ngõ vào thay đổi theo tần số sóng sine ngõ vào Độ lệch pha sóng sine đầu vào tín hiệu đầu phụ thuộc vào tần số sóng sine ngõ vào Hình 10: Đáp ứng hệ thống tín hiệu vào dạng sine trạng thái xác lập Giả sử tín hiệu vào có dạng: r (t ) = Ar sin(ωt ) (5) Khi đó, đáp ứng ngõ trạng thái xác lập có dạng: Page of 21 y (t ) = Ac sin(ωt + ϕc ) (6) Biên độ định nghĩa sau: G ( jω ) = Ac Ar (7) Và độ lệch pha ngõ ngõ vào là: ∠G ( jω ) = ϕc = 3600 3600 ∆t = ω.∆t T 2π (8) Page 10 of 21 III Phaቹ n 3: Chuaቻ n bị Thı́ nghiệ m III.1 Mục đích thí nghiệm: Mơ hình quạt phẳng chứa nhiều thơng số ảnh hưởng đến hệ thống như: thời motor, thời gian trễ luồng khí, cực cộng hưởng đặc biệt chịu ảnh hưởng nhiễu động lớn Ngồi ra, mơ hình mơ hình phi tuyến, cho phép sinh viên khảo sát hệ thống điểm làm việc khác Trong thí nghiệm này, sinh viên tập trung khảo sát vấn đề sau: • Liên hệ tốc độ quay motor lực đẩy quạt • Khảo sát ảnh hưởng thời gian trễ lên chất lượng đáp ứng hệ thống • Khảo sát thiết kế điều khiển PID xung quanh điểm làm việc tĩnh Khảo sát ảnh hưởng đặc tính phi tuyến hệ thống lên chất lượng điều khiển • Xây dựng biểu đồ Bode cho hệ thống Từ xây dựng điều khiển đảm bảo chất lượng điều khiển dựa phương pháp biểu đồ Bode III.2 Chuẩn bị thí nghiệm: Sinh viên thực mơ mơ hình mục II.1.1 với thơng số sau: Tiết diện phẳng A = 0.06 m Moment quán tính J = 0.007 kgm2 Góc làm việc ψ = 100 Khoảng cách tâm quay tâm lực tác động l p = 0.17 m Khoảng cách tâm quay trọng tâm phẳng lM = 0.15m Hệ số damping b = 0.01 Thời motor: T1 = 0.1s Giã sữ nhiễu tác động lên hệ thống nhiễu trắng với công suất 0.001 Hệ số khuếch đại: K1 = 1000 Khảo sát đáp ứng hệ thống ba trường hợp thời gian trễ τ = , τ = 0.02s τ = 0.1s Khảo sát thiết kế điều khiển PID cho trường hợp τ = 0.02s Khảo sát biểu đồ bode hệ thống Thiết kế điều khiển sớm trễ pha để hệ thống thỏa mãn yêu cầu GM > 10dB , ΦM > 450 Kiểm tra đáp ứng hệ thống sau thiết kế Page 11 of 21 IV Phaቹ n 4 Thı́ nghiệ m và Keቷ t Quả IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ thống: Trong thí nghiệm này, sinh viên khảo sát yếu tố sau: • Khảo sát liên hệ điện áp tốc độ quạt K1 = Ω phương trình (1) V • Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quạt góc nghiêng hệ Từ mơ hình lý thuyết hệ thống mục II.1.1, phạm vi góc khảo sát nhỏ, ta xem liên hệ góc nghiêng tốc độ quat theo công thức sau ψ = k0 Ω (9) Trình tự thí nghiệm a Mở file fan_plate_gain.mdl b Đặt điện áp điều khiển ngõ vào 3V c Biên dịch chương trình chạy (xem hướng dẫn mục I.3) d Mở Scope, ghi nhận kết tốc độ quat góc nghiêng trạng thái xác lập gi kết vào Bảng tương ứng e Lặp lại bước b đến d với điện áp lại Bảng Bảng IV.1.1 Trường hợp 1: Đặt quạt vị trí Hình 2, thay đổi điện áp từ thấp đến cao, xác định góc nghiêng phẳng, ghi giá trị vào Bảng Chú ý: góc nghiêng xác định vị trí xác lập Bảng 2: Liên hệ tốc độ quạt góc nghiêng phẳng trường hợp Điện áp (V) 10 12 14 16 18 Tốc độ ( Ω ) Góc ( Ψ ) K1 k0 Page 12 of 21 Dựa vào Bảng sinh viên vẽ đồ thị K1 k0 Nhận xét IV.1.2 Trường hợp Đặt quạt vị trí Hình 3, thay đổi tốc độ quạt từ thấp đến cao, xác định góc nghiêng phẳng, ghi giá trị vào Bảng Bảng 3: Liên hệ tốc độ quạt góc nghiêng phẳng trường hợp Điện áp (V) 10 12 14 16 18 Tốc độ ( Ω ) Góc ( Ψ ) K1 k0 Dựa vào Bảng 3, sinh viên vẽ đồ thị K1 k0 Nhận xét ***Nhận xét chung: IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols Trong thí nghiệm này, sinh viên khảo sát vấn đề sau: • Ứng dụng phương pháp Ziegler-Nichols vòng kín để thiết kế PID điều khiển góc nghiêng phẳng góc làm việc θ = 100 • Khảo sát ảnh hưởng thơng số PID lên chất lượng điều khiển • Khảo sát ảnh hưởng tính phi tuyến hệ thống trường hợp góc làm việc cần điều khiển khác Page 13 of 21 IV.2.1 Khảo sát thông số tới hạn thiết kế điều khiển PID Trình tự thí nghiệm: a Mở file fan_plate_PID.mdl b Đặt góc điều khiển mong muốn θ = 100 c Đặt thông số PID: Kp = 0.4 ; Ki = ; Kd = d Biên dịch chương trình chạy (xem hướng dẫn mục I.3) e Mở Scope, kiểm tra đáp ứng góc nghiêng đĩa f Lặp lại bước c với độ tăng ∆K p = +0.2 bước e hệ thống bắt đầu không g h i j k ổn định Lưu lại đồ thị, xác định Kgh Tu Tính tốn thơng số PID theo bảng Bảng Nhập lại thơng số PID vừa tính tốn Biên dịch chương trình, chạy lưu kết điều khiển Thay đổi thông số theo yêu cầu thí nghiệm IV.2.3 IV.2.4 chạy lưu kết điều khiển IV.2.1.1 Trường hợp 1: Đặt quạt vị trí Hình Khảo sát thơng số hệ thống Khảo sát hệ thống theo mục II.1.2 Tìm thơng số hệ thống (Chú ý: Thí nghiệm khơng tìm Kgh mà hệ thống dao động điều hòa Trong trường hợp Kgh ngưỡng mà hệ thống từ ổn định sang không ổn định.) K gh = Tu = Đáp ứng hệ thống K gh : Page 14 of 21 Thông số Bộ điều khiển Kp = Kp0 = Ki = Ki0 = Kd = Kd0 = ( Sinh viên ý thông sô PID để sử dụng thí nghiệm IV.2.3) Từ PID thiết kế, vẽ đáp ứng hệ thống, cho biết thời gian lên, thời gian xác lập sau thiết kế IV.2.2 Trường hợp 2: Đặt quạt vị trí Hình 3, Khảo sát thơng số hệ thống Khảo sát hệ thống theo mục II.1.2 Tìm thơng số hệ thống ( Chú ý: Trong trường hợp Kgh tìm giống trường hợp 1) K gh = Tth = Đáp ứng hệ thống: Page 15 of 21 Thông số Bộ điều khiển Kp = Kp1 = Ki = Ki1 = Kd = Kd1 = Từ PID thiết kế, vẽ đáp ứng hệ thống, cho biết thời gian lên, thời gian xác lập sau thiết kế ***Nhận xét chung cho kết thiết kế điều khiển trường hợp: IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng thông số điều khiển: Khảo sát ảnh hưởng thông số lên hệ thống trường hợp Quạt đặt vị trí 1 Ảnh hưởng Kp Cho Ki = Ki , Kd = Kd thay đổi Kp = Kp0 Kp = × Kp0 ; so sánh đánh giá kết điều khiển.(Chú ý: Kp0, Ki0, Kd : thông số điều khiển PID trường hợp IV.2.1.1) Vẽ đáp ứng hệ thống trường hợp Kp = Kp0 , Kp = Thí nghiệm Kp = Kp0 Kp0 Kp = × Kp0 Kp = Kp0 Kp = × Kp0 POT Thời gian xác lập Sai số xác lập Nhận xét ảnh hưởng Kp đến chất lượng hệ thống: Page 16 of 21 Ảnh hưởng Ki Cho Kp = Kp0 , Kd = Kd thay đổi Ki = Ki Ki = × Ki ; so sánh đánh giá kết điều khiển (Chú ý: Kp0, Ki0, Kd : thông số điều khiển PID trường hợp IV.2.1.1) Vẽ đáp ứng hệ thống trường hợp Ki = Ki , Ki = Thí nghiệm Ki = Ki Ki Ki = × Ki Ki Ki = × Ki POT Thời gian xác lập Sai số xác lập Nhận xét ảnh hưởng Ki đến chất lượng hệ thống: Ảnh hưởng Kd Cho Kp = Kp0 , Ki = Ki thay đổi Kd = Kd Kd = × Kd ; so sánh đánh giá kết điều khiển (Chú ý: Kp0, Ki0, Kd : thông số điều khiển PID trường hợp IV.2.1.1) Vẽ đáp ứng hệ thống trường hợp Kd = Kd , Kd = Thí nghiệm Kd = Kd Kd Kd Kd = × Kd Kd = × Kd POT Thời gian xác lập Sai số xác lập Nhận xét ảnh hưởng Kd đến chất lượng hệ thống: Page 17 of 21 IV.2.4 Khảo sát kết điều khiển góc đặt khác Đặt quạt vị trí Hình 2, với thông số điều khiển PID trường hợp IV.2.1.1, xác định đáp ứng hệ thống cho trường hợp góc đặt mong muốn θ d = 50 ,100 ,150 Nhận xét kết điều khiển POT , exl , t xl giải thích: IV.3 Thí nghiệm 3: Trong thí nghiệm này, sinh viên khảo sát hệ thống dùng phương pháp biểu đồ Bode xung quanh điểm θ = 100 Trên sở đó, sinh viên xây dựng điều khiển dựa Bode thu Hướng dẫn: từ kết điều khiển Thí nghiệm IV.2, xác định điện áp u = u điểm làm việc ψ = ψ = 100 Cho điện áp vào dạng sin u = u + A0 sin ωt với tần số thay đổi từ thấp đến cao, xác định biên độ pha cho tần số, từ xây dựng biểu đồ Bode cho hệ thống Chú Ý: • Biên độ sóng sin A0 khơng q lớn để đảm bảo đáp ứng ngõ dao động quanh điểm ψ = ψ = 100 ( ψ = 50 ÷ 150 ) • Thời gian khảo sát phải đủ lớn để đảm bảo đáp ứng hệ thống trạng thái xác lập Trình tự Thí nghiệm a Mở file fan_plate_response.mdl b Cài đặt biên độ sóng sine A0 = c Cài đặt tần số sóng sine ω = 0.1( rad / s ) d Biên dịch chương trình chạy (xem hướng dẫn mục 3.2) Page 18 of 21 e Mở scope để xem đáp ứng, xác định tỉ số biên độ tín hiệu ngõ tín hiệu đặt A / A0 , xác định độ trễ pha ϕ hai tín hiệu cách đo thời gian ∆t f Ghi lại kết vào Bảng Lưu ý: biên độ tín hiệu phải tính cách chia khoảng cách giá trị lớn nhỏ cho giá trị trung bình khơng xác định xác scope g Lặp lại bước c đến f với tần số lại Bảng IV.3.1 Trường hợp 1: Đặt quạt vị trí Hình Vẽ đáp ứng, tìm thơng số tương ứng điền vào Bảng ω(rad/s) A Bảng 4: Khảo sát biểu đồ Bode trường hợp 0.1 10 15 20 A0 L(dB) ∆t ∆ϕ (0) Vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống: Dựa biểu đồ Bode; Xác định tần số cộng hưởng hệ, tìm độ dự trữ biên độ dự trữ pha hệ thống Page 19 of 21 IV.3.2 Trường hợp 2: Đặt quạt vị trí Hình 3, Vẽ đáp ứng, tìm thơng số tương ứng điền vào Bảng Bảng 5: Khảo sát biểu đồ Bode trường hợp ω(rad/s) A 0.1 10 15 20 A0 L(dB) ∆t ∆ϕ (0) Vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống: Dựa biểu đồ Bode; Xác định tần số cộng hưởng hệ, tìm độ dự trữ biên độ dự trữ pha hệ thống Page 20 of 21 V.Bá o cá o thı́ nghiệ m Trình bày kết mơ mục III.2 Chuẩn bị thí nghiệm: Vị trí quạt ảnh hưởng đến hệ số k IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ thống: Vị trí quạt ảnh hưởng đến K gh Tu IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols Ảnh hưởng thông số Kp, Ki, Kd ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển hệ thống IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng thông số điều khiển: So sánh với kết khảo sát mô phỏng? Nhận xét chất lượng điều khiển trường hợp điều khiển cho điểm làm việc tỉnh khác IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng thông số điều khiển: Giải thích? Xác định đỉnh cộng hưởng, tần số cộng hưởng IV.3 Thí nghiệm 3: Xác định hàm truyền hệ thống trường hợp Tính độ dự trữ biên, pha hệ thống Thiết kế điều khiển dựa kết khảo sát trường hợp quạt vị trí để đảm bảo GM > 10dB , ΦM > 450 Page 21 of 21 ... bày kết mơ mục III.2 Chuẩn bị thí nghiệm: Vị trí quạt ảnh hưởng đến hệ số k IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ thống: Vị trí quạt ảnh hưởng đến K gh Tu IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế điều khiển... Ngõ vào Analog Input nhận tín hiệu điều khiển analog để xuất tín hiệu điều rộng xung tới động Page of 21 lm lp Hình 2:Mơ hình quạt phẳng quạt đặt gần (vị trí 1) Hình 3:Mơ hình quạt phẳng quạt. .. độ quạt lực đẩy tác động lên phẳng: F = k Ω2 (2) Hàm truyền mơ tả thời gian để dòng khí từ cánh quạt đến phẳng: G2 ( s ) = e −τ s (3) Trong đó, τ thời gian trễ luồng khí từ cánh quạt đến phẳng