Mô hình quạt và tấm phẳng chứa rất nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thống như: thời hằng motor, thời gian trễ của luồng khí, cực cộng hưởng và đặc biệt là chịu sự ảnh hưởng của nhiễu động lớn. Ngoài ra, mô hình này là một mô hình phi tuyến, cho phép sinh viên có thể khảo sát hệ thống ở các điểm làm việc khác nhau. Trong bài thí nghiệm này, sinh viên tập trung khảo sát các vấn đề sau: • Liên hệ giữa tốc độ quay của motor và lực đẩy của quạt. • Khảo sát ảnh hưởng của thời gian trễ lên chất lượng và đáp ứng của hệ thống. • Khảo sát và thiết kế bộ điều khiển PID xung quanh điểm làm việc tĩnh. Khảo sát ảnh hưởng của các đặc tính phi tuyến của hệ thống lên chất lượng điều khiển. • Xây dựng biểu đồ Bode choMô hình quạt và tấm phẳng chứa rất nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thống như: thời hằng motor, thời gian trễ của luồng khí, cực cộng hưởng và đặc biệt là chịu sự ảnh hưởng của nhiễu động lớn. Ngoài ra, mô hình này là một mô hình phi tuyến, cho phép sinh viên có thể khảo sát hệ thống ở các điểm làm việc khác nhau. Trong bài thí nghiệm này, sinh viên tập trung khảo sát các vấn đề sau: • Liên hệ giữa tốc độ quay của motor và lực đẩy của quạt. • Khảo sát ảnh hưởng của thời gian trễ lên chất lượng và đáp ứng của hệ thống. • Khảo sát và thiết kế bộ điều khiển PID xung quanh điểm làm việc tĩnh. Khảo sát ảnh hưởng của các đặc tính phi tuyến của hệ thống lên chất lượng điều khiển. • Xây dựng biểu đồ Bode cho
BÀI THÍ NGHIỆM SỐ QUẠT VÀ TẤM PHẲNG GVHD: Họ tên SV: MSSV: Nhóm: Nguyễn Tuấn An Võ Thống 41203674 A17 III CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM III.1 Mục đích thí nghiệm: Mơ hình quạt phẳng chứa nhiều thông 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: • Khảo sát đáp ứng hệthống ba trường hợp thời gian trễ τ = , τ = 0,02s τ =0,1s - Mơ hình động cơ: -Mơ hình dòng khí từ quạt đến cánh phẳng: -Mơ hình mơ tả lực tác động lên phẳng: *Nhiễu tác động lên hệthống nhiễu trắng với công suất 0.001 Page of 22 Page of 22 * Sơ đồ thiết kế: *τ = 0: *τ = 0,02: Page of 22 Page of 22 *τ = 0,1: • Khảo sát thiết kếbộ điều khiển PID cho trường hợp τ = 0,02s * Sơ đồ thiết kế: *Kcr=8,85 => Kp = 4,425 Page of 22 Page of 22 *Thiết kế ta chọn được: Ki = 1, KD = IV THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ thống: 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 Page of 22 Page of 22 Page of 22 Page of 22 Page of 22 Page of 22 Bảng 2: Liên hệ tốc độ quạt góc nghiêng phẳng trường hợp Điện áp (V) 10 12 14 16 18 Tốc độ (Ω) 556.2 748 934.8 1120 1303 1482 1667 Góc (Ψ ) 2.628 4.608 6.416 9.634 11.45 14.98 16.63 K1 92.7 93.5 93.48 93.333 93.071 92.625 92.611 K0 8.5E-06 8.24E-06 7.34E-06 7.68E-06 6.74E-06 6.82E-06 5.984E-06 Đồ thị K1 k0 Nhận xét Đồ thị K1 gần đường thẳng nằm ngang, hay ta nói K1 khơng phụ thuộc vào điện áp tốc độ, K0 có xu hướng tăng điện áp 12v sau giảm tăng nhẹ điện áp 16v sau tiếp tục giảm 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 Page of 22 Page of 22 Page of 22 Page of 22 Bảng 3: Liên hệ tốc độ quạt góc nghiêng phẳng trường hợp Điện áp (V) 10 12 14 16 18 Tốc độ (Ω) 556.5 748.6 936 1123 1309 1490 1674 Góc (Ψ ) 2.7 5.472 7.272 9.756 12.17 13.9 15.95 K1 92.75 93.575 93.6 93.583 93.5 93.125 93 K0 8.72E-06 9.76E-06 8.3E-06 7.74E-06 7.1E-06 6.26E-06 5.692E-06 Đồ thị K1 k0: Đồ thị K1 gần đường thẳng nằm ngang, hay ta nói K1 khơng phụ thuộc vào điện áp tốc độ, K0 có xu hướng tăng điện áp 8v sau giảm Page of 22 Page of 22 ***Nhận xét chung: K1 dường số không đổi suốt q trình, k0 có xu hướng giảm dù tăng vài vị trí khơng đáng kể IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols IV.2.1.1 Trường hợp 1: Kgh = 0.846 Tu = 0.786 Đáp ứng hệ thống Kgh : Page 10 of 22 Page 10 of 22 Thông số Bộ điều khiển Kp = Kp0 =0.5076 Ki = Ki0 = 0.393 Kd = Kd0 = 0.09825 Thời gian xác lập 7.368 IV.2.2 Trường hợp 2: Kgh = 0.9348 Tth = 0.7175 Đáp ứng hệ thống: Page 11 of 22 Page 11 of 22 Thông số Bộ điều khiển Kp = Kp1 = 56088 Ki = Ki1 = 0.35875 Kd = Kd1 = 0.0896875 Page 12 of 22 Page 12 of 22 Thời gian xác lập 12.5 s 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 Page 13 of 22 Page 13 of 22 Page 14 of 22 Page 14 of 22 Kp=Kp0/2 Kp = Kp0 Kp = 2×Kp0 Thí nghiệm POT 3.7 1.9 Thời gian xác lập 7.6 7.37 9.36 Sai số xác lập 0 Nhận xét ảnh hưởng Kp đến chất lượng hệ thống: thời gian xác lập tăng Kp tăng Ảnh hưởng Ki Page 15 of 22 Page 15 of 22 Thí nghiệm POT Thời gian xác lập Sai số xác lập Ki=Ki0/2 0.8 14.85 Ki 3.7 7.37 Ki = 2×Ki0 4.41 Nhận xét ảnh hưởng Ki đến chất lượng hệ thống: thời gian xác lập độ vọt lố tăng K i tăng Ảnh hưởng Kd Page 16 of 22 Page 16 of 22 Kd=Kd0/2 Kd Kd = 2×Kd0 Thí nghiệm POT 9.1 3.7 5.5 Thời gian xác lập 14 7.37 8.5 Sai số xác lập 0 Nhận xét ảnh hưởng Kd đến chất lượng hệ thống: độ vọt lố giảm tăng Kd 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 θd = 50,10 ,0 150 Page 17 of 22 Page 17 of 22 Page 18 of 22 Page 18 of 22 IV.3 Thí nghiệm 3: IV.3.1 Trường hợp 1: Đặt quạt vị trí Vẽ đáp ứng, tìm thơng số tương ứng điền vào Bảng ω(rad/s) A/A0 L(dB) ∆t ∆ϕ(0) Bảng 4: Khảo sát biểu đồ Bode trường hợp 0.1 10 15 1.7375 1.08 1.7825 0.837 0.27 4.798 0.668 5.021 -1.545 -11.373 2.21 0.5 0.22 0.3125 0.26 20 0.1035 -19.701 0.2 -12.662 -229.183 -28.648 -63.025 -179.049 -223.453 Vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống: Page 19 of 22 Page 19 of 22 ωc = 7.9 rad/s ω-π = 10.5 rad/s GM = 12dB ΦM = 230 IV.3.2 Trường hợp 2: Đặt quạt vị trí Hình 3, Vẽ đáp ứng, tìm thông số tương ứng điền vào Bảng Bảng 5: Khảo sát biểu đồ Bode trường hợp ω(rad/s) A/A0 L(dB) ∆t 0.1 1.422 3.058 2.86 1.017 0.146 0.5175 1.583 3.99 0.1625 10 0.891 -1.002 0.33 15 0.531 -5.498 0.26 20 0.126 -17.993 0.199 ∆ϕ(0) -16.387 -29.65 -46.553 -189.076 -223.453 -228.037 Vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống: ωc = 7.2 rad/s ω-π = 8.5 rad/s GM = 7dB ΦM = 50 Page 20 of 22 Page 20 of 22 V BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Trình bày kết mơ mục III.2 Chuẩn bị thí nghiệm: Đã trình bày phần chuẩn bi Vị trí quạt ảnh hưởng đến hệ số k IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ thống: Vị trí quạt khơng làm ảnh hưởng đến K1, K0, vị trí thứ K0 giảm ổn định vị trí thứ 2, vị trí thứ K0 tăng giảm nhiều lần nhìn chung giảm Vị trí quạt ảnh hưởng đến Kgh Tu IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols Kgh vị trí thứ bé so với Kgh vị trí thứ ( 0.846 0.934) Tu vị trí thứ lớn so với Tu vị trí thứ ( 0.786 0.7175) 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? Khi KP tăng: Thời gian xác lập tăng Độ vọt lố tăng Sai số xác lập dao động nhỏ quanh vị trí cân Khi Ki tăng : Thời gian xác lập tăng Độ vọt lố tăng Sai số xác lập giảm Khi Kd tăng : Thời gian xác lập tăng Độ vọt lố giảm Page 21 of 22 Page 21 of 22 Sai số xác lập So với kết khảo sát mơ ta thấy gần xác có sai số đo đạc 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? Khi ta điều khiển thơng số quanh điểm làm việc tĩnh, có thông số giúp thời gian độ nhanh POT lại lớn sai số xác lập cao, số trường hợp POT thấp thơng số khác không tốt Nếu để làm việc chế độ điểm tĩnh hài hòa số Xác định đỉnh cộng hưởng, tần số cộng hưởng IV.3 Thí nghiệm 3: Xác định hàm truyền hệ thống trường hợp Đỉnh cộng hưởng khoảng tần số rad/s 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, Φ >M 450 Thiết kế khâu sớm pha: Ta chọn: với =130 Ta dùng biểu đồ bode TH1 để xác định, ta có: Suy ra: Vậy: Page 22 of 22 Page 22 of 22 ... L(dB) ∆t 0.1 1.422 3. 058 2.86 1.017 0.146 0 .51 75 1 .58 3 3.99 0.16 25 10 0.891 -1.002 0.33 15 0 .53 1 -5. 498 0.26 20 0.126 -17.993 0.199 ∆ϕ(0) -16.387 -29. 65 -46 .55 3 -189.076 -223. 453 -228.037 Vẽ biểu... 1123 1309 1490 1674 Góc (Ψ ) 2.7 5. 472 7.272 9. 756 12.17 13.9 15. 95 K1 92. 75 93 .57 5 93.6 93 .58 3 93 .5 93.1 25 93 K0 8.72E-06 9.76E-06 8.3E-06 7.74E-06 7.1E-06 6.26E-06 5. 692E-06 Đồ thị K1 k0: Đồ thị... 0.1 10 15 1.73 75 1.08 1.78 25 0.837 0.27 4.798 0.668 5. 021 -1 .54 5 -11.373 2.21 0 .5 0.22 0.31 25 0.26 20 0.10 35 -19.701 0.2 -12.662 -229.183 -28.648 -63.0 25 -179.049 -223. 453 Vẽ biểu đồ Bode cho hệ