Bai 2 - Dieu khien he quat va tam phang

u – K oa Mơ hình quạt phẳng thể ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM nh Mơ hình quạt phẳng chứa nhiều thông số ảnh hư ng đến hệ thống như: thời đ ng c , thời gian trễ luồng khí, cực c ng hư ng nhiễu đ ng lớn Ngồi ra, mơ hình m t 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 đ quay motor lực đẩy quạt  Khảo sát ảnh hư ng thời gian trễ lên chất lượng hệ thống  Khảo sát thiết kế b điều khiển PID xung quanh điểm làm việc tĩnh Khảo sát ảnh hư ng đặc tính phi tuyến hệ thống lên chất lượng điều khiển  Xây dựng biểu đồ Bode cho hệ thống Từ xây dựng b điều khiển đảm bảo chất lượng điều khiển dựa phư ng pháp biểu đồ Bode Hình Mơ hình quạt phẳng 1/16 u – K oa ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM I Trong mô hình quạt phẳng, khảo sát ảnh hư ng ngõ vào tốc đ quạt tới góc nghiêng phẳng Mô h nh khảo sát trường hợp nh v nh nhằm khảo sát ảnh hư ng thời gian trễ lên hệ thống ψ lm lp Fan Mg Air flow Position Position L1 L2 Hình Mơ hình quạt phẳng quạt ược ặt gần (vị trí 1) ψ lm lp Fan Air flow Mg kω2 Position Position L1 L2 Hình Mơ hình quạt phẳng quạt ược ặt xa (vị trí 2) 2/16 u S – K oa ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM đồ hối ph n cứng ô tả nh rong bo ạch P l ph n cứng trung tâ b i th nghiệ Bo mạch PC104CARD xây dựng tảng FPGA Altera có khả giao tiếp với máy tính thơng qua ph n mềm Matlab/ Simulink/ Real-time Windows Target với t nh sau:  Digital Input / Digital Output: DI / DO  Điều r ng xung P M : ênh đ phân giải bit  Encoder: kênh encoder x4  nalog nput: ênh 2bit t  Analog Output: ênh  iao tiếp với đo – 10V 2bit t – 2V áy t nh thông qua c ng áy in theo chuẩn PP Power 24V/5A LPT/EPP PC104 Card V2.0 Encoder Input PWM Matlab/ Simulink Encoder Input Encoder Motor Driver Encoder Fan ψ Plate Hình Sơ kết nối mơ hình máy tính Đ ng c s d ng b i th nghiệ có điện áp đ nh ức v encoder đ phân giải xung v ng n hiệu điều r ng xung Pulse v hướng Dir s điều hiển đ ng c chạy với tốc đ v chiều quay ong uốn:  Điện áp cấp cho đ ng c sau hi qua Motor river s TPWM *24 /1000 (V), TPWM l giá tr điều r ng xung từ – tư ng ứng với đ phân giải  ốc đ đ ng c đ n v v ng ph t t nh theo phư ng pháp đo thời gian t chu xung encoder v hướng quay xác đ nh thông qua so sánh lệch pha t n hiệu encoder v 3/16 u  – K oa ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM tr đ ng c t nh tốn qua ạch encoder x có nghĩa l quay v ng ta s đ c x xung hi đ ng c Ph n mềm s d ng b i th nghiệ n y l b ph n ề Matlab Si ulin eal-ti e indows arget ông c eal-ti e indows arget cho ph p h nh Si ulin có ết nối với ph n cứng bên ngo i v chạy theo thời gian thực Để biên d ch v chạy ô h nh Si ulin liên ết với ph n cứng sinh viên phải thực bước tr nh tự sau:  ạo t file si ulin nh  o enu Si ulation -> onfiguration ch n c Solver để c i đặt thông số thời gian ô ph ng Si ulation ti e v phư ng pháp ô ph ng Solver Options nh  o enu ool eal- i e or shop uild Model nhấn chu t trái v o biểu tượng ncre ental uild để biên d ch ô h nh  Sau hi ô h nh biên d ch th nh công v o enu Si ulation onnect o arget nhấn chu t trái v o biểu tượng onnect o arget để ết nối ô h nh Si ulin tới ph n cứng  o enu Si ulation h nh un biểu tượng Run Connect To Target un để tiến h nh chạy ô Incremental Build Hình Mơ hình Simulink kết nối phần cứng 4/16 u – K oa Hình Cà ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM ặt thơng số III qua 3.1 Mơ hình tuyến tính hệ thố điểm làm việc bất kỳ: Về mặt vật lý, đặc t nh đ ng h c hệ thống chia thành thành ph n theo s đồ Điện áp V nh Động học Quạt Motor Tốc độ Ω Động học dịng chảy khí Lực đẩy F Động học phẳng Góc nghiêng ψ Hình Sơ khối hệ quạt phẳng 3.1.1 Mơ hình động truyền tả liên hệ tốc đ quạt ( s) v điện áp ngõ V ( s) vào: ( s ) K1  V ( s) T1s  rong T1 thời motor G1 ( s)  (1) 3.1.2 Mô hình dịng khí từ cánh quạt đến phẳng Phư ng tr nh liên hệ tốc đ quạt lực đẩy tác đ ng lên phẳng: F  k0  (2) 5/16 u – K oa ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM Hàm truyền mơ tả thời gian để dịng khí từ cánh quạt đến phẳng: G2 ( s)  e s (3) rong  thời gian trễ luồng khí từ cánh quạt đến phẳng 3.1.3 Mơ hình lực tác động lên phẳng Hàm truyền mơ tả tác đ ng dịng khí góc nghiêng phẳng: G3 ( s)   ( s) F ( s)  AlP cos Js  bs  MglM cos  F0 AlP sin (4) rong A tiết diện phẳng; J moment quán tính phẳng;  góc làm việc l p khoảng cách tâm quay tâm lực tác đ ng; lM khoảng cách tâm quay tr ng tâm phẳng; b hệ số damping 3.2 Thiết kế u khiể Khảo sát hệ D dù n theo s đồ p ươ p áp Zie ler-Nichols cho hệ bậc nh Cho K= 0, chỉnh u0 để ngõ hệ thống g n điểm làm việc mong muốn Trong thí nghiệm này, góc làm việc 100 xem tuyến t nh xung quanh điểm cân 00 Do sinh viên cho u0 để khảo sát Đặt ngõ vào R = 0  100 l góc điều khiển mong muốn ăng K kết điều khiển giao đ ng nh Từ xác đ nh K gh (giá tr K mà hệ thống dao đ ng) chu k tới hạn Tu (chu k dao đ ng ngõ ra) hệ thống Các thông số b điều khiển PID cho hệ thống xác đ nh theo bảng sau: Bảng 1: Thông số b u PID t eo p ươ pháp Ziegler-Nichols Kp Ti Td P controller 0.5K gh  PI controller 0.45K gh PID controller 0.6 K gh Tu 1.2 Tu Tu 6/16 u E – K oa Plant K R ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM Y u0 Hình Sơ khối khảo sát Kgh Tu Tu Hình thị áp ứng Kgh 3.3 ươ p áp vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống thực: Xét m t hệ thống tuyến tính với ngõ vào sóng sine Trong lý thuyết điều khiển ta biết đáp ứng ngõ l sóng sine có t n số biên đ v pha hác nh ỉ số biên đ ngõ với biên đ ngõ v o s thay đ i theo t n số sóng sine ngõ v o Đ lệch pha sóng sine đ u v o v t n hiệu đ u ph thu c vào t n số sóng sine ngõ v o r (t )  Ar sin(t  r ) (1) Khi đáp ứng ngõ s có dạng: y(t )  Ac sin(t  c ) (2) Giả s tín hiệu vào có dạng: iên đ đ nh nghĩa sau: G ( j )  Ac Ar (3) đ lệch pha ngõ ngõ vào là: G ( j )  c  r  3600 3600 t  .t T 2 (4) 7/16 ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM Tín hiệu đặt – K oa 2Ar Đáp ứng u 2Ac t Hình 10 Tín hiệu ặt sine vớ Sinh viên thực mô ph ng mơ hình m c nh áp ứng sine với thông số sau: - Tiết diện phẳng A  0.06 m2 - Moment quán tính J  0.007 kgm2 - Góc làm việc   100 - Khoảng cách tâm quay tâm lực tác đ ng l p  0.17 m - Khoảng cách tâm quay tr ng tâm phẳng lM  0.15m - Hệ số damping b  0.01 - Thời motor: T1  0.1s - iả sữ nhiễu tác đ ng 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   ,   0.02s   0.1s Khảo sát thiết kế b điều khiển P cho trường hợp   0.02s Khảo sát biểu đồ bode hệ thống Thiết kế b điều khiển sớm trễ pha để hệ thống th a mãn yêu c u GM  10dB , M  450 Kiể sau thiết kế tra đáp ứng hệ thống 8/16 u – K oa ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM 5.1 Khảo sát đáp hệ thống Trong thí nghiệm này, sinh viên khảo sát yếu tố:  Khảo sát ối liên hệ điện áp tốc đ quạt K1 phư ng tr nh (1)  Khảo sát ảnh hư ng tốc đ quạt tới góc nghiêng tấ phẳng Từ mơ hình lý thuyết hệ thống m c 3.1, phạm vi góc khảo sát nh ta xem liên hệ góc nghiêng tốc đ quạt theo công thức sau:   k0  (5) Trình tự thí nghiệm a M file fan_plate_gain.mdl b Đặt điện áp điều khiển ngõ vào 2V c Biên d ch chư ng tr nh v chạy xe hướng d n c 2.2) d M Scope, ghi nhận kết tốc đ quạt góc nghiêng trạng thái xác lập Ghi kết vào Bảng tư ng ứng e Lặp lại bước b đến d với điện áp lại Bảng 22 ảng 5.1.1 rường hợp 1: Đặt quạt v tr nh thay đ i điện áp từ thấp đến cao xác đ nh góc nghiêng phẳng, ghi giá tr vào Bảng 2 Chú ý: Góc nghiêng tấ p ẳ Bảng 2: Liên hệ tốc Điện áp(V) ược xác ịnh vị trí xác lập quạt góc nghiêng phẳ trường hợp 10 ốc đ óc K1 k0 9/16 u Điện áp(V) 12 14 – K oa ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM 16 18 ốc đ óc K1 k0 Dựa vào ảng sinh viên v đồ th K1 k0 theo điện áp đ u v o Nhận xét 5.1.2 rường hợp Đặt quạt v tr nh , thay đ i tốc đ quạt từ thấp đến cao, xác đ nh góc nghiêng phẳng, ghi giá tr vào ảng Bảng 3: Liên hệ tốc Điện áp(V) quạt góc nghiêng phẳ trường hợp 2 12 14 16 18 10 ốc đ óc K1 k0 Điện áp(V) ốc đ óc K1 k0 Dựa vào ảng , sinh viên v đồ th K1 k0 theo điện áp đ u v o Nhận xét 10/16 u 5.2 Thiết kế u khiể D dù – K oa p ươ ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM p áp Zie ler-Nichols Trong thí nghiệm này, sinh viên s khảo sát:  Ứng d ng phư ng pháp Ziegler-Nichols v ng n để thiết kế b P điều khiển góc nghiêng phẳng góc làm việc   100  Khảo sát ảnh hư ng thông số PID lên chất lượng điều khiển  Khảo sát tính phi tuyến hệ thống 5.2.1 ì góc làm việc khác thông số tới hạn thiết kế điều khiển PID Trình tự thí nghiệm: a M file fan_plate_PID.mdl b Đặt quạt v tr nh c Đặt góc điều khiển mong muốn   100 d Đặt thông số b PID: Kp  0.4 ; Ki  ; Kd  e f g h i j k l Biên d ch chư ng tr nh v chạy xe hướng d n c 2.2) M Scope, kiể tra đáp ứng góc nghiêng tấ phẳng Lặp lại bước c v bước e hệ dao đ ng Lưu lại đồ th xác đ nh Kgh Tu Tính tốn thông số PID theo Bảng v điền ết v o ảng Nhập lại thông số b PID vừa t nh toán Biên d ch chư ng tr nh chạy v lưu ết điều khiển đáp ứng ngõ Đặt quạt v tr nh Lặp lại bước từ c đến C  Thí nghiệ ày tì ược c xác trị Kgh mà tạ ó ệ thống dao u ịa ro trường hợp Kgh ưỡng mà hệ thố từ ổ ịnh sang không ổ ịnh  trị Kp0 Ki0 Kd0 Kp1 Ki1 Kd1 t ược ả ược sử d c o t ệ c ảng : tr quạt số u Kgh PID Tu vị tr quạt Kp Ki Kd tr (Kp0) (Ki0) (Kd0) tr (Kp1) (Ki1) (Kd1) 11/16 u – K oa ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM 5.2.2 Khảo sát ảnh hưởng thơng số điều khiển a) Ảnh hưởng Kp Trình tự thí nghiệm: a M file fan_plate_PID.mdl b Đặt quạt v tr nh c Cho Kd  Kd , Ki  Ki , thay đ i K p  K p / K p  2K p d So sánh v đánh giá ết điều khiển hi thay đ i K p Nhận x t e V đáp ứng hệ thống K p  2K p trường hợp K p  K p / , K p  K p , t đồ th b) Ảnh hưởng Ki Trình tự thí nghiệm: a M file fan_plate_PID.mdl b Đặt quạt v tr nh c Cho K p  K p , Kd  Kd thay đ i Ki  Ki / Ki  2Ki d So sánh v đánh giá ết điều khiển hi thay đ i Ki Nhận x t e V đáp ứng hệ thống trường hợp Ki  Ki / , Ki  Ki , Ki  2Ki t đồ th c) Ảnh hưởng Kd Trình tự thí nghiệm: a M file fan_plate_PID.mdl b Đặt quạt v tr nh c Cho K p  K p , Ki  Ki thay đ i Kd  Kd / Kd  2Kd d So sánh v đánh giá ết điều khiển hi thay đ i Kd Nhận x t e V đáp ứng hệ thống trường hợp Kd  Kd / , Kd  Kd , Kd  2Kd t đồ th d Ảnh hưởng củ góc đặt khác Trình tự thí nghiệm: a M file fan_plate_PID.mdl b Đặt quạt v tr nh c hay đ i góc đặt i đặt K p  K p , Ki  Ki , Kd  Kd giá tr  d  50 ,  d  100  d  150 d So sánh v đánh giá ết điều khiển hi thay đ i  d Nhận x t 12/16 u – K oa trường hợp  d  50 ,  d  100  d  150 e V đáp ứng hệ thống ả sát đáp ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM t đồ th t số ệ t ố u qua điể l việ t Trong thí nghiệm này, sinh viên s khảo sát hệ thống dùng phư ng pháp biểu đồ ode xung quanh điểm   100 rên c s sinh viên xây dựng b điều khiển dựa biểu đồ ode thu Hướng dẫn: Từ kết điều khiển u  u0 điểm làm việc     100 th nghiệ c xác đ nh điện áp ho điện áp vào dạng sin u  u  A0 sin t với t n số thay đ i từ thấp đến cao xác đ nh biên đ pha cho t n số, từ xây dựng biểu đồ Bode cho hệ thống h  iên đ sóng sin A0 không lớn để đảm bảo đáp ứng ngõ dao đ ng quanh điểm     100 (   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 M file fan_plate_response.mdl b Đặt quạt v tr nh c i đặt biên đ sóng sine A0  0.3 d ăng giá tr A0 để phạm vi dao đ ng tấ phẳng th a   50  150 i đặt t n số sóng sine f  0.1 Hz e f Biên d ch chư ng tr nh v chạy g M scope để xe đáp ứng xác đ nh tỉ số biên đ t n hiệu ngõ v t n hiệu đặt A / A0 xác đ nh đ trễ pha  hai t n hiệu cách đo thời gian t h Ghi lại kết vào Bảng Lưu ê tín hiệu phả ược tính cách chia khoảng cách giá trị lớn nhỏ cho giá trị trung bình có th xác ịnh xác scope i Lặp lại bước e đến h với t n số lại ảng 13/16 u – K oa j Đặt quạt v tr nh Lặp lại bước v ghi ết v o ảng Bảng 5: áp ứ f(Hz) A tầ số ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM trường hợp đặt quạt v tr quạt vị tr 0.1Hz 1Hz 3Hz 5Hz 7Hz 8Hz 9Hz 11Hz 13Hz 20Hz A0 L(dB) t  (0) f(Hz) A A0 L(dB) t  (0) V biểu đồ Bode cho hệ thống: Dựa biểu đồ Bode, t đ dự trữ biên v đ dự trữ pha hệ thống 14/16 u Bảng 5: áp ứ f(Hz) A – K oa tầ số ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM quạt vị tr 0.1Hz 1Hz 3Hz 5Hz 7Hz 8Hz 9Hz 11Hz 13Hz 20Hz A0 L(dB) t  (0) f(Hz) A A0 L(dB) t  (0) V biểu đồ Bode cho hệ thống: Dựa biểu đồ ode t đ dự trữ biên v đ dự trữ pha hệ thống 15/16 u – K oa ệ - ệ tử - H ác K oa PHCM Báo cáo thí nghiệm Họ tên: Nhóm: V trí quạt ảnh hư ng n o đến hệ số k0 th nghiệ Ngày: c V trí quạt ảnh hư ng n o đến K gh Tu th nghiệ c Ảnh hư ng thông số Kp, Ki, Kd đến chất lượng điều khiển hệ thống th nghiệ c 2.2 So sánh với kết mô ph ng ph n chuẩn b th nghiệ ? Nhận xét chất lượng điều khiển điểm làm việc tĩnh khác th nghiệ c 2.2.d Giải thích? nh đ dự trữ biên, pha hệ thống th nghiệ c Thiết kế b điều khiển dựa kết khảo sát trường hợp quạt v tr để đảm bảo GM  10dB , M  450 16/16 ... Position L1 L2 Hình Mơ hình quạt phẳng quạt ược ặt gần (vị trí 1) ψ lm lp Fan Air flow Mg k? ?2 Position Position L1 L2 Hình Mơ hình quạt phẳng quạt ược ặt xa (vị trí 2) 2/ 16 u S – K oa ệ - ệ tử - H ác... K oa 2Ar Đáp ứng u 2Ac t Hình 10 Tín hiệu ặt sine vớ Sinh viên thực mô ph ng mô hình m c nh áp ứng sine với thông số sau: - Tiết diện phẳng A  0.06 m2 - Moment quán tính J  0.007 kgm2 - Góc... trường hợp 2 12 14 16 18 10 ốc đ óc K1 k0 Điện áp(V) ốc đ óc K1 k0 Dựa vào ảng , sinh viên v đồ th K1 k0 theo điện áp đ u v o Nhận xét 10/16 u 5 .2 Thiết kế u khiể D dù – K oa p ươ ệ - ệ tử - H ác