Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển tự động bằng máy tính

Đồ án 1: Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển tự động máy tính Chương  Khái quát Matlab Simulink  Matlab MATLAB (Matrix Laboratory) phần mềm khoa học thiết kế để cung cấp việc tính tốn số hiển thị đồ họa ngơn ngữ lập trình cấp cao MATLAB cung cấp tính tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác liệu linh hoạt dạng mảng ma trận để tính tốn quan sát Các liệu vào MATLAB nhập từ "Command line" từ "mfiles", tập lệnh cho trước MATLAB MATLAB cung cấp cho người dùng toolbox tiêu chuẩn tùy chọn Người dùng tạo hộp cơng cụ riêng gồm "mfiles" viết cho ứng dụng cụ thể Chúng ta sử dụng tập tin trợ giúp MATLAB cho chức lệnh liên quan với toolbox có sẵn (dùng lệnh help) Ví dụ: Command Window: >> hel plot Màn hình tiêu chuẩn sau khởi động Matlab:  Simulink Simulink công cụ Matlab dùng để mô hình, mơ phân tích hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng đồ họa Việc xây dựng mơ hình đượcđơn giản hóa hoạt động nhấp chuột kéo thả Simulink bao gồm thư viện khối với hộp công cụ tồn diện cho việc phân tích tuyến tính phi tuyến Hướng dẫn sử dụng Simulink:  Click vào biểu tượng hình (Simulink icon) Cửa sổ thư viện Simulink hiển thị:  Control system toolbox: Control System Toolbox thư viện Matlab dùng lĩnh vực điều khiển tự động Cùng với lệnh Matlab, tập lệnh Control System Toolbox giúp ta thiết kế, phân tích đánh giá tiêu chất lượng hệ thống tuyến tính  Tìm hiểu Simulink khối mục Signal rounting simulink Khối Bus Creator: Mô tả: Khối Bus Creator kết hợp tập hợp bus tín hiệu vào Bó nhóm tín hiệu với khối Bus Creator, thiết lập tham số khối Số đầu vào số lượng tín hiệu nhóm Khối hiển thị số lượng cổng mà ta định Kết nối với cổng đầu vào kết tín hiệu mà ta muốn nhóm  hỗn hợp tín hiệu  Tạo Truy cập bus tín hiệu -Thơng số hộp thoại: - Tín hiệu tùy chọn đặt tên - Số lượng đầu vào - Trong bus tín hiệu - Kích hoạt biểu thường xuyên - Hiện kết lọc danh sách phẳng - Đổi tên tín hiệu lựa chọn - kiểu liệu - Hiển thị loại liệu trợ - chế độ - Bus tín hiệu đầu nonvirtual Ví dụ: Đối với ví dụ cách khối cơng trình Bus Creator, thấy mơ hình sldemo_househeat Khối Bus Selector selector: Mô tả: Bus Selector để tái tạo lại tín hiệu từ Bus tín hiệu, đồng thời gom chúng lại thành tín hiệu riêng rẽ ban đầu.Selector khối cho phép tách phần tử riêng lẻ để sau gom chúng lại thành tín hiệu 1-D hay 2-D -ví dụ : tách hai tín hiếu signal signal từ Bus tín hiệu đầu khối Mux Khối demux :tách tín hiệu đầu vào thành nhiều tín hiệu đầu ví dụ: Khối mux :là ghép kênh nhiều ngõ vào ngõ ra, từ ngõ ta đưa vào Scope để xem nhiều tín hiệu cửa sổ Double click vào khối để thay đổi số kênh đầu vào (trong mục Number of inputs) dùng tổng hợp tín hiệu đầu vào thành tín hiệu tổng đầu Khối Switch: Mô tả: Các loại khối đầu vào Khối chuyển mạch qua đầu vào thứ đầu vào thứ ba dựa giá trị đầu vào thứ hai Các đầu vào thứ ba gọi liệu đầu vào Đầu vào thứ hai gọi kiểm soát đầu vào Xác định điều kiện theo khối đầu vào cách sử dụng tiêu chí để thông qua thông số đầu vào Threshold - Khối Biểu tượng Appearance Các biểu tượng khối giúp bạn xác định tiêu chí cho việc qua đầu vào Threshold mà mở hộp thoại khối box - Khối Behavior cho Boolean kiểm soát đầu vào Khi kiểm soát đầu vào tín hiệu Boolean, sử dụng kết hợp tiêu chuẩn giá trị ngưỡng:  u2> = Threshold, nơi mà giá trị ngưỡng  1u2> Threshold, nơi mà giá trị ngưỡng  0u2 ~ = 0Otherwise, khối Đổi bỏ qua ngưỡng sử dụng Đầu vào Boolean cho tín hiệu định tuyến Đối với kiểm soát đầu vào 1, khối đầu vào đầu tiên, cho kiểm soát đầu vào 0, khối đầu vào thứ ba Trong trường hợp này, biểu tượng thay đổi khối sau thời gian biên dịch sử dụng T F để nhãn đầu vào thứ ba, tương ứng Ví dụ: Sử dụng mơ thời gian cho Control Port Mơ hình sldemo_zeroxing sử dụng khối Switch: Khối Bus Assignment: Thay yếu tố quy định bus tín hiệu - Mơ tả: Khối Bus Phân gán tín hiệu kết nối với cổng chuyển nhượng đầu vào (: =) Sự thay đổi khơng ảnh hưởng đến tín hiệu đó, ảnh hưởng đến thành phần bus tín hiệu tín hiệu không thay không bị ảnh hưởng thay tín hiệu khác Khối Data Store Memory: -Mô tả: Cửa hàng liệu khối nhớ định nghĩa khởi tạo lưu trữ liệu có tên chia sẻ, khu vực nhớ sử dụng cách lưu trữ liệu đọc Store Data Viết khối ghi rõ tên cửa hàng liệu - Thông số hộp thoại Các cửa sổ Store Data khối nhớ hộp thoại xuất sau: Khối Data Store Read: -Mô tả : Cửa hàng liệu đọc khối liệu từ lưu trữ liệu đặt tên cho sản lượng Hơn lưu trữ liệu đọc khối đọc từ cửa hàng liệu Khối Data Store write: Mô tả: Các Store Data Viết khối giá trị đầu vào để lưu trữ liệu đặt tên Lưu trữ liệu mà khối viết xác định vị trí khối nhớ lưu trữ liệu đối tượng tín hiệu xác định lưu trữ liệu Kích thước liệu cửa hàng thiết lập đối tượng tín hiệu khối nhớ lưu trữ liệu mà định nghĩa khởi tạo lưu trữ liệu Thông số hộp thoại : Các cửa sổ thông số cửa hàng liệu hộp thoại Write khối xuất sau: Ví dụ: Đối với kho liệu có tên DSM mà có kích thước tối đa [3,5], bạn nhập biểu DSM (2, 4) DSM ([1 3], 2) hộp soạn thảo Sau bấm Select >> Để áp dụng yếu tố lựa chọn, nhấn OK 10 Khối Environment Controller : - Mô tả: Khối kết đầu tín hiệu cổng Sim mơ hình có chứa mơ Nó tín hiệu Cổng coder mã tạo từ mơ hình tùy chọn cho phép ta tạo chi nhánh sơ đồ khối mà áp dụng để mô mã hệ Bảng mô tả khác kịch mà hai Sim Cổng Coder áp dụng 11 Khối From : Mô tả: Khối From chấp nhận đầu vào từ khối Goto.Chuyển đến từ khối tương ứng, sau vượt qua đầu liệu loại đầu giống đầu vào từ khối Goto From Goto khối cho phép vượt qua tín hiệu từ khối khác mà không thực kết nối chúng Để liên kết khối Goto với khối From, nhập thẻ Goto khối Goto Tag Khối From nhận tín hiệu từ khối Goto, khối Goto vượt qua tín hiệu với nhiều block Do từ số cho thấy sử dụng khối Goto khối From tương đương với kết nối khối để có khối kết nối Khối khả hiển thị khối tag Chuyển đến:  Một tên tag địa phương đặt ngoặc ([])  Một tên thẻ scoped đặt dấu ngoặc ({})  Một tên thẻ tồn cầu xuất mà khơng có ký tự bổ sung  From khối hỗ trợ tuyên truyền nhãn hiệu Ví dụ: Các mơ hình sau cho thấy làm để sử dụng Từ khối:  sldemo_auto_climatecontrol  sldemo_hardstop 12 Khối Goto: Các đầu vào tín hiệu đơn giản hay phức tạp có giá trị vector loại liệu From Goto khối cho phép vượt qua tín hiệu từ khối khác mà không thực kết nối 13 Khối Goto Tag Visibility: Mô tả:  Các khối Goto Tag xác định khả tiếp cận khối Goto scoped khả hiển thị Thẻ quy định tham số thẻ Goto truy cập khối From hệ thống có chứa khối Goto Tag hệ thống bên hệ thống phân cấp mơ hình  Một khối Goto Tag cần thiết cho khối Goto Tag có giá trị tham số scoped Khối hiển thị tên tag kèm theo dấu ngoặc ({})  Thông số hộp thoại 14 Khối Index Vector: Chuyển đổi đầu đầu vào khác dựa giá trị đầu vào - Mô tả: Khối Index Vector thực Switch khối multiport 15 Khối Manual Switch: Chuyển đổi hai đầu vào -Mô tả: Khối Manual Switch nút chuyển đổi mà chọn hai yếu tố đầu vào để qua đến đầu Để chuyển đổi đầu vào, kích đúp vào khối Khối truyền đầu vào lựa chọn để đầu ra, khối loại bỏ đầu vào không chọn -Thông số hộp thoại: Double-click vào khối Manual Switch chuyển đổi đầu vào Để mở khối hộp thoại, nhấp chuột phải vào khối chọn tùy chọn Block Parameters  Cho phép hai yếu tố đầu vào khác kích thước  Thời gian mẫu (-1 cho thừa kế) -Dòng lệnh thơng tin Thông số: varsize Loại: string Giá trị: 'on' | 'tắt' Mặc định: 'tắt' Thời gian mẫu (-1 cho thừa kế) Nhập khoảng thời gian rời rạc thời gian mẫu chạm định thời gian mẫu thích hợp liên tục thừa kế Ví dụ: Các mơ hình sau cho thấy làm để sử dụng khối Đổi tay:  sldemo_auto_climatecontrol  sldemo_fuelsys  sldemo_doublebounce 16 Khối Merge : -Mô tả : Để hỗ trợ hành vi rõ ràng từ khối Merge Khối Merge kết hợp đầu vào vào dòng đầu có giá trị với số lượng đầu vào Ta định số lượng đầu vào cách thiết lập khối Số tham số đầu vào  Không kết nối nhiều đầu vào khối Merge với hệ thống phụ có điều kiện, thực  Ln ln kết nối với khối Merge để hai tín hiệu đầu vào  Đảm bảo tất tín hiệu đầu vào có thời gian mẫu  Luôn đặt tham số đầu ban đầu khối Merge, trừ cổng khối Merge kết nối với khối Merge  Khơng tách tín hiệu đầu vào đến khối Merge, ta sử dụng thiết lập mặc định cổ điển cho tham số cấu hình Model> Diagnostics> khởi Underspecified tham số phát  Đối với tất khối hệ thống phụ Outport có điều kiện thực hiện, mà lái xe Hợp khối, đặt tham số tàn tật tổ chức Ví dụ sau sử dụng khối Merge hợp lệ, nơi nonatomic cùng, nguồn nonvirtual hệ thống phụ điều kiện thi hành 17 Khối Multiport Switch: Mô tả: Khối Multiport Switch lựa chọn số yếu tố đầu vào Các đầu vào kiểm soát đầu vào Giá trị kiểm soát đầu vào xác định liệu đầu vào đến cổng Lưu ý: Khối giống khối Index Vector Nếu ta đặt Số cổng liệu để 1,ta có khối Index Vector -Thơng số hộp thoại: Các cửa sổ multiport hộp thoại Chuyển khối xuất sau: Để cổng liệu  Số cổng liệu  Chỉ số cổng liệu  Cổng liệu cho trường hợp mặc định  Chẩn đoán cho trường hợp mặc định  Thời gian mẫu (-1 cho thừa kế)  Yêu cầu tất đầu vào cổng liệu để có kiểu liệu  Khóa đầu loại thiết lập liệu chống lại thay đổi công cụ điểm cố định  Integer chế độ làm tròn  Bão hòa tràn số ngun  Cho phép kích thước liệu đầu vào khác  sản lượng tối thiểu  tối đa sản lượng  Kiểu liệu đầu  chế độ  Kiểu liệu ghi đè  signedness  chiều dài từ  Scaling  chiều dài phần  độ dốc  thành kiến 18 Khối Vector Concatenate: Tín hiệu đầu vào tiếp kiểu liệu để tạo tín hiệu đầu tiếp giáp -Mô tả : Khối ghép nối chúng lại tín hiệu đầu vào để tạo tín hiệu đầu mà thành phần có địa điểm tiếp giáp nhớ -Thông số hộp thoại Các thông số hộp thoại khác nhau, dựa chế độ khối điều hành: vector ma trận Hầu hết thông số tồn hai chế độ Hộp thoại cho khối Vector tiếp xuất sau ̶̶ Chương I Yêu cầu Cấu tạo ứng dụng mạch lọc thông thấp mạch lọc thông cao… a) Mạch lọc thông thấp: Bộ lọc thông thấp phát triển dựa lý thuyết lọc RC, RL, Op amp, mạch lọc thạch anh gốm lọc Chức mạch lọc thơng thấp cho qua tín hiệu có tần số thấp giữ lại tín hiệu có tần số cao: Hình a1 : Mạch lọc thơng thấp thụ động RC Mạch lọc cho phép dao động có tần số nhỏ tần số cắt fc qua (f>fc ), tín hiệu có tần số lớn bị mạch hấp thụ lượng đầu tín hiệu nhỏ hơn, tần số f lớn,tín hiệu bé tiến dần tới Hình a2 : Đường đặc tính lý tưởng thể hện tần số cắt mạch lọc thông thấp b) Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông cao thực dựa sở mạch RC, RL, Op amp, mạch lọc thạch anh gốm lọc Chức mạch lọc tần số cao cho qua tín hiệu có tần số thấp giữ lại tín hiệu có tần số cao Hình b1: Mạch lọc thơng cao RL ứng dụng mạch lọc thông cao ngược lại với mạch lọc thông thấp, mạch cho phép dao động có tần số lớn tần số cắt fc qua (f > fc) ,những tín hiệu có tần số nhỏ bị mạch hấp thụ lượng đầu tín hiệu nhỏ ,khi tần số f nhỏ, tín hiệu bé tiến dần tới Hình b2: Đường đặc tính lý tưởng thể tần số cắt mạch lọc thông cao c) Mạch lọc thụ động: Mạch lọc gồm linh kiện thụ động điện trở R, cuộn cảm L, tụ điện C Thơng thường có loại mạch lọc chính: - Mạch lọc RC - Mạch lọc LC - Mạch lọc RLC Mạch lọc RC thường sử dụng nhiều linh kiện rẻ chiếm diện tích Còn mạch lọc RLC thơng dụng có điện cảm L khó tiêu chuẩn hóa, dễ gây tượng hộ cảm có giá trị lớn làm việc với tần số thấp,làm cho chi phí đắt lại cồng kềnh Mạch lọc thụ động thường ứng dụng cho việc chọn lọc tần số cao(cỡ > 100 khz) hạn chế giá trị linh kiện mạch đơn giản dễ lắp ,song nhược điểm mạch lọc phẩm chất mạch thấp, làm suy giảm lượng qua mà khơng có khả khuếch đại ,khó phối hợp tổng trở lắp vào chức khác d) Mạch lọc tích cực: Được xây dựng từ phần tử R,C với khuếch đại thuật toán, mạch lọc làm việc tốt tần số thấp ( định thức Hurwitz dương Hàm truyền hệ kín Fk(s) = s2 + 250s +100 = với a0 = 1; a1 =250; a2 =100 a0= 1> > (i=0,1,2)> = a1a2 + a00 = 250*100 +0 = 25000 >  Hệ kín ổn định  Khảo sát đáp ứng xung , bước nhảy đáp ứng cos : H(s) = Chương trình viết sau : >>num=[250 0] >>den=[1 250 100] >>W=tf(num,den) >>subplot(211) >>step(W) >>title('dap ung buoc nhay') >>grid >>subplot(212) >>impulse(W) >>title('dap ung xung') >>grid Hình Đồ thị đáp ứng bươc nhảy đáp ứng xung >> nyquist(W) >>grid Hình Đồ thị Nyquist Nhìn vào đồ thị ta thấy đường cong Nyquist hệ thống kín khơng bao quanh điểm (-1,0j) nên hệ thống ổn định theo tiêu chuẩn Nyquist >>bode(W) >>grid Hình Đồ thị đáp ứng bode hệ thống >>step(W) >>title(‘diem cuc – diem khong’) >>grid Hình Đồ thị điểm cực-điểm khơng hệ thống  Tính đáp ứng : h(t) = L-1{ } = L-1{  } = = – K1 = |s= -249,6 = = -1,003 K2 = |s=-0,4 = = 1,003 = 1,003( = 1,003(  Hàm trọng lượng : w(t) = = -250,35 + 0,4012  Khảo sát tiêu chất lượng hệ thống : H(s) = Chương trình viết sau : >>TS=[250 0] >>MS=[1 250 100] >>G=tf(TS,MS) >>step(G) >>stepinfo(G) Hình Đồ thị chất lượng hệ thống RiseTime: SettlingTime: 9.7942 SettlingMin: 0.0014 SettlingMax: 0.9913 Độ vọt lỗ: Inf Undershoot: Peak: 0.9913 PeakTime: 0.0259 Mơ Simulink: Hình Mơ hệ thống Simulink Chương I Giới thiệu Trong phần này, thấy tính chất thành phần: khuếch đại (P), tích phân (I), vi phân (D) cách sử dụng để nhận đáp ứng mong muốn Hệ thống có phản hồi âm : Hình a: Điều khiển với điều khiển PID Hàm truyền điều khiển PID có dạng : Trong đó: - KI : Hệ số tích phân - KP : Hệ số khuếch đại - KD : Hệ số vi phân Biến e sai lệch đầu vào mong muốn (R) đầu thực tế (Y) Sai lệch e đưa vào điều khiển PID điều khiển PID thực việc lấy đạo hàm tích phân sai lệch (e) Tín hiệu (u) đưa vào đối tượng điều khiển P ta thu tín hiệu đầu mới.Tín hiệu đầu gửi lại nhờ cảm biến để tính tốn tín hiệu sai lệch Bộ điều khiển lại lấy tín hiệu điều sai lệch để tính tốn tốn lại đạo hàm tích phân chúng Q trình tiếp tục II Thiết kế điều khiển PID phương pháp module II.1 Phương pháp tối ưu module Có nhiều phương pháp để thiết kế điều khiển PID, như: - Phương pháp Ziegler-Nichols - Phương pháp tối ưu modul - Phương pháp tối ưu ñối xứng - Phương pháp Chien-Hrones –Reswick Sau e xin chọn phương pháp tối ưu module Phương pháp tối ưu modul phương pháp lựa chọn tham số ñiều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng hình chữ S Xét hệ thống điều khiển kín Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s) Hình b: Hệ thống điều khiển kín có đối tượng S(s) điều khiển phải tìm R(s) Phương pháp tối ưu modul áp dụng để chọn tham số điều khiển PID điều khiển đối tượng S(s) có chất quán tính Đối với đối tượng khâu quán tính bậc 2: - Mơ hình đối tượng : - Mơ hình điều khiển : II.2 Thiết kế PID pp tối ưu module mạch lọc điện tử Với mơ hình toán học chương 2, hàm truyền mạch lọc là: W(s) =  W(s) =  W(s) = Ta có : KDT = 25 ; T1 = -2,5 ; T2 = -0,004 - Thiết kế điều khiển theo toán chuẩn : T = = (-2,5) + (-0,004) + = -2,504 Chọn Ti = T1 = -2,5 Kp = = = 0,0019 - Hàm truyền điều khiển : WDK(s) = = WPI(s) Ta nhập code sau vào matlab : num=[250 0]; den=[1 250 100]; plant=tf(num,den); Kp =0.0019; Ki = -2.5; contr=tf([Kp Ki],[1 0]); sys_cl=feedback(contr*plant,1); t=0:0.01:20; step(sys_cl,t) Ta thu kết sau : Hình c : Đường đặc tính hàm độ Nhận xét : Ta nhận hệ kín có độ q điều chỉnh nhỏ ; thời gian đáp ứng nhanh có sai lệch tĩnh khơng đáng kể Việc chọn thơng số Kp Ki thử nhiều lần cho ta thu điều kiện mong muốn yêu cầu theo dõi bảng sau: 3.Mô simulink Ta thực mô simulink sau: Ta thu kết : Hình d : Mơ Simulink Thử tìm thơng số điều khiển PID công cụ PID Tuner : Hình e : Đồ thị PID Tuner Simulink tự tìm thơng số P I D sau : KP = KI = 86.7233193136801 KD = Kết sau : Hình f : Mơ Simulink có thơng số PID Bằng cách sủ dụng cơng cụ PID tuner ta tìm điều khiển tối ưu Với thời gian độ ngắn nhiên sai lệch tĩnh lớn thơng số tính tốn chút  ... số ñiều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng hình chữ S Xét hệ thống điều khiển kín Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s) Hình b: Hệ thống điều khiển kín... thống có phản hồi âm : Hình a: Điều khiển với điều khiển PID Hàm truyền điều khiển PID có dạng : Trong đó: - KI : Hệ số tích phân - KP : Hệ số khuếch đại - KD : Hệ số vi phân Biến e sai lệch đầu vào... viện Matlab dùng lĩnh vực điều khiển tự động Cùng với lệnh Matlab, tập lệnh Control System Toolbox giúp ta thiết kế, phân tích đánh giá tiêu chất lượng hệ thống tuyến tính  Tìm hiểu Simulink