Bài giảng Thực hành điều khiển thiết bị điện - Bài 7: Tổng hợp hệ thống điều khiển tự động

Bài giảng Thực hành điều khiển thiết bị điện - Bài 7: Tổng hợp hệ thống điều khiển tự động được biên soạn với mục tiêu giúp người học dễ dàng mô phỏng hệ thống để xem xét ảnh hưởng của bộ điều khiển đến đáp ứng quá độ của hệ thống và đánh giá chất lượng hệ thống.

THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN BÀI 7: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNTỰ ĐỘNG I MỤC ĐÍCH SIMULINK công cụ mạnh Matlab để xây dựng mơ hình cách trực quan dễ hiểu Để mô tả hay xây dựng hệ thống ta cần liên kết khối có sẵn thư viện SIMULINK lại với Sau đó, tiến hành mô hệ thống để xem xét ảnh hưởng điều khiển đến đáp ứng độ hệ thống đánh giá chất lượng hệ thống II CHUẨN BỊ Để thực yêu cầu thí nghiệm này, sinh viên cần phải chuẩn bị kỹ hiểu rõ khối cần thiết thư viện SIMULINK Sau khởi động Matlab, ta gõ lệnh simulink nhấn vào nút simulink công cụ cửa sổ SIMULINK ra: thư viện áp dụng thí nghiệm Các khối sử dụng thí nghiệm: a Các khối nguồn – tín hiệu vào (source): Khối Step (ở thư viện Simulink \ Sources) có chức xuất tín hiệu hàm bậc thang Double click vào khối để cài đặt thơng số: • Step time: khoảng thời gian đầu chuyển sang mức Final value kể từ lúc bắt đầu mô Cài đặt giá trị • Initial value: Giá trị ban đầu Cài đặt • Final value: Giá trị lúc sau Cài đặt theo giá trị ta muốn tác động tới hệ thống Nếu hàm bậc thang đơn vị giá trị • Sample time : thời gian lấy mẫu Cài đặt Khối Signal Generator (ở thư viện Simulink \ Sources) phát tín hiệu xuất tín hiệu hìng sin, hìng vng, hìng cưa ngẫu nhiên (cài đặt dạng hìng mục Wave form) b Các khối tải – thiết bị khảo sát ngõ (sink): THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN Khối Mux (ở thư viện Simulink \ Signals Routing) 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) Khối Scope (ở thư viện Simulink \ Sinks) cửa sổ xem tín hiệu theo thời gian, tỉ lệ xích trục điều chỉnh tự động để quan sát tín hiệu cách đầy đủ Khối XY Graph dùng để xem tương quan tín hiệu hệ thống (quan sát mặt phẳng pha) c.Các khối xử lý – khối động học : Khối Sum (ở thư viện Simulink \ Math Operations) tổng (cộng hay trừ) tín hiệu Khối Sm thường dùng để lấy hiệu số tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi Double click để thay đổi dấu tổng Khối Gain (ở thư viện Simulink \ Math Operations) tỉ lệ Tín hiệu sau qua khối nhân với giá trị Gain Double click để thay đổi giá trị độ lợi Gain Khối Transfer Fcn (ở thư viện Simulink \ Continuous) hàm truyền hệ tuyến tính Double click để thay đổi bậc hệ số hàm truyền Cài đặt thông số: - Numerator (num) : hệ số đa thức tử số - Denominator (den): hệ số đa thức mẫu số Khối Relay (ở thư viện Simulink \ Discontinuities) điều khiển rơle vị trí có trễ (cịn gọi điều khiển ON-OFF) Các thơng số : - Switch on point : tín hiệu đầu vào lớn giá trị ngõ khối Relay lên mức ‘on’ THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN - Switch off point : tín hiệu đầu vào nhỏ giá trị ngõ khối Relay xuống mức ‘off’ - Output when on : giá trị ngõ mức ‘on’ - Output when off : giá trị ngõ mức ‘off’ Nếu tín hiệu đầu vào nằm khoảng (Switch on point, Switch off point) giá trị ngõ giữ ngun khơng đổi Khối PID controller (ở thư viện Simulink Extras \ Additional Linear) điều khiển PID với hàm truyền KP : hệ số tỉ lệ (proportional term) KI: hệ số tích phân (integral term) KD: hệ số vi phân (derivative term) Khối Saturation (ở thư viện Simulink \ Discontinuities) khâu bão hịa Các thơng số cài đặt: - Upper limit : giới hạn Nếu giá trị đầu vào lớn Upper limit ngõ ln giá trị Upper limit - Lower limit : giới hạn Nếu giá trị đầu vào nhỏ Lower limit ngõ giá trị Lower limit Khâu bão hoà dùng để thể giới hạn biên độ tín hiệu thực tế : áp cực đại điều khiển đặt vào đối tượng, áp nguồn… Các bước tiến hành để xây dựng mô ứng dụng SIMULINK: - Sau khởi động Matlab, gõ lệnh simulink nhấn vào nút simulink cơng cụ cửa sổ SIMULINK mở - Trong cửa sổ SIMULINK, vào menu File / New để mở cửa sổ cho ứng dụng - Kích chuột vào thư viện giới thiệu mục để chọn khối cần tìm Kích chuột trái vào khối này, sau kéo thả vào cửa sổ ứng dụng vừa tạo Double click vào khối để cài đặt thay đổi thơng số - Có thể nhân số lượng khối cách dùng chức Copy Paste Kích chuột trái nối ngõ vào / khối để hình thành sơ đồ hệ thống - Có thể dời nhiều khối từ vị trí đến vị trí khác cách nhấp chuột để chọn khối kéo đến vị trí Dùng phím Delete để xóa phần khơng cần THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN thiết hay bị sai chọn - Có thể viết thích cửa sổ ứng dụng cách double click vào vị trí trống gõ câu thích vào Vào menu Format / Font để thay đổi kiểu chữ - Mô hệ thống cách vào menu Simulation / Simulation Parameters để cài đặt thông số mô Cửa sổ Simulation Parameters sau: - Start time : thời điểm bắt đầu mô Mặc định chọn - Stop time : thời điểm kết thúc mơ Giá trị chọn theo đặc tính hệ thống Nếu hệ thống có thời lớn giá trị Stop time phải lớn để quan sát hết thời gian độ hệ thống - Các thơng số cịn lại chọn mặc định - Chạy mơ cách vào menu Simulation / Start - Khi thời gian mơ giá trị Stop time q trình mơ dừng lại - Trong q trình mơ phỏng, ta muốn dừng nửa chừng vào menu Simulation/Stop III THÍ NGHIỆM Khảo sát mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ - Mục đích: Đặc trưng lị nhiệt khâu qn tính nhiệt Từ bắt đầu cung cấp lượng đầu vào cho lò nhiệt, nhiệt độ lò bắt đầu tăng lên từ từ Để nhiệt độ lò đạt tới giá trị nhiệt độ cần nung thường phải khoảng thời gian dài Đây đặc tính quán tính lị nhiệt Khi tuyến tính hố mơ hình lò nhiệt, ta xem hàm truyền lò nhiệt khâu quán tính bậc khâu quán tính bậc nối tiếp với khâu trễ Trong phần này, sinh viên khảo sát khâu quán tính bậc cho trước Dùng phương pháp Ziegler-Nichols nhận dạng hệ thống sau xây dựng lại hàm truyền So sánh giá trị thông số hàm truyền vừa tìm với khâu qn tính bậc cho trước - Thí nghiệm: Dùng SIMULINK xây dựng mơ hình hệ thống lị nhiệt vịng hở sau: Step: tín hiệu hàm bậc thang thể phần trăm cơng suất cung cấp cho lị nhiệt Giá trị hàm nấc từ 0÷1 tương ứng cơng suất cung cấp 0%÷100% THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN Transfer Fcn – Transfer Fcn1: mơ hình lị nhiệt tuyến tính hóa Thơng số lị nhiệt Nhóm K T1 T2 100 20 100 200 30 300 150 40 200 300 20 150 200 50 200 - Chỉnh giá trị hàm step để cơng suất cung cấp cho lị 100% (Step time = 0, Initial time = 0, Final time = 1) Chỉnh thời gian mô Stop time = 600s Mô vẽ trình độ hệ thống - Trên hình vẽ câu trên, tuyến tính hóa (xấp xỉ) khâu qn tính bậc có trễ cách vẽ tiếp tuyến điểm uốn để tính thơng số L T theo hình vẽ Chỉ rõ giá trị hình vẽ So sánh giá trị L, T vừa tìm với giá trị mơ hình lị nhiệt tuyến tính hóa - Hướng dẫn: Sau chạy xong mô phỏng, để xem q trình q độ tín hiệu ta double click vào khối Scope Cửa sổ Scope sau: Vì cửa sổ Scope xem đáp ứng in trực tiếp máy in không lưu hình vẽ thành file *.bmp nên ta phải chuyển Scope sang cửa sổ Figure để lưu Thực điều cách nhấp chuột vào ô Parameters Cửa sổ Parameters ra, nhấp chuột vào trang Data history tiến hành cài đặt thơng số hình bên dưới: THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN Tiến hành chạy mơ lại để tín hiệu lưu vào biến ScopeData Chú ý sau khai báo mà khơng tiến hành chạy mơ lại tín hiệu không lưu vào biến ScopeData cửa sổ Scope có hình vẽ Sau đó, vào cửa sổ Command Window nhập lệnh sau: >> plot(ScopeData.time, ScopeData.signals.values) % vẽ đáp ứng >> grid on % kẻ lưới Lúc cửa sổ Figure với hình vẽ giống hình vẽ cửa sổ Scope Vào menu Insert/ Line, Insert/ Text để tiến hành kẽ tiếp tuyến thích cho hình vẽ Kết cuối hình bên : Vào menu [File]/[Export] để lưu thành file *.bmp Bài thí nghiệm Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ dùng phương pháp Ziegler-Nichols (điều khiển PID): - Mục đích: THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ dùng điều khiển PID, thông số PID tính theo phương pháp Ziegler-Nichols Từ so sánh chất lượng hệ thống điều khiển PID - Thí nghiệm: Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển nhiệt độ PID sau: Trong dó - Tín hiệu đặt đầu vào hàm bậc thang u(t) = 100 ( tượng trưng nhiệt độ đặt 100oC) - Bộ điều khiển PID có thơng số cần tính tốn - Transfer Fcn – Transport Delay : mơ hình lị nhiệt tuyến tính hóa a Tính giá trị thông số KP, KI, KD khâu PID theo phương pháp Ziegler-Nichols từ thông số L T tìm phần b Chạy mơ lưu đáp ứng tín hiệu Scope để viết báo cáo Có thể chọn lại Stop time cho phù hợp Trong hình vẽ phải thích rõ tên tín hiệu c Nhận xét chất lượng phương pháp điều khiển PID - Hướng dẫn: Cách tính thơng số KP, KI, KD khâu PID theo phương pháp Ziegler-Nichols sau: K PID ( s)  K P  Với: K P  KI  KDs s 1,2.T K ; K I  P ; K D  0,5K P L 2L K L Trong L, T, K giá trị tìm phần IV YÊU CẦU VIẾT BÁO CÁO Bài - Xây dựng sơ đồ hệ thống SIMULINK - Xấp xỉ đối tượng khâu quán tính bậc theo phương pháp đồ thị THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN - So sánh mơ hình cho trước mơ hình nhận dạng Bài - Xây dựng sơ đồ hệ thống SIMULINK - Tính thông số điều khiển theo ZieglerNichol chỉnh định thơng số máy tính - Vẽ đường đặc tính q trình q độ - Nhận xét trình độ thu qua thực nghiệm ... Ziegler-Nichols (điều khiển PID): - Mục đích: THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ dùng điều khiển PID, thông số PID tính theo phương pháp Ziegler-Nichols Từ so... CÁO Bài - Xây dựng sơ đồ hệ thống SIMULINK - Xấp xỉ đối tượng khâu quán tính bậc theo phương pháp đồ thị THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN - So sánh mô hình cho trước mơ hình nhận dạng Bài - Xây... Discontinuities) điều khiển rơle vị trí có trễ (cịn gọi điều khiển ON-OFF) Các thông số : - Switch on point : tín hiệu đầu vào lớn giá trị ngõ khối Relay lên mức ‘on’ THƯC HÀNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN - Switch