Báo cáo thực tập điều khiển tự động - Th.s Nguyễn Phong Lưu - HCMUTE

Báo cáo kết thúc môn học Thực tập điều khiển tự động của thầy Nguyễn Phong Lưu bộ môn ĐiệnĐiện tử. Báo cáo trình bày đầy đủ về mô phỏng Matlab Simmulink liên quan đến môn điều khiển tự động. Báo cáo trình bày đầy đủ từ bài tập cơ bản đến năng cao mà thầy đã cho. Báo cáo cũng đạt được điểm 10 cuối kỳ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  BÁO CÁO Môn học: Thực Tập Điều Khiển Tự Động GVHD: Th.S Nguyễn Phong Lưu SVTH: Trần Thành Nhơn TP HỒ CHÍ MINH – Tháng 11/2020 18145196 MỤC LỤC Bài thí nghiệm số Ứng dụng Matlab mơ tả tốn học hệ thống Bài thí nghiệm số Ứng dụng Matlab khảo sát tính ổn định hệ thống 2.1 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode 2.1.1 Mục đích 2.1.2 Yêu cầu 2.1.3 Bài tập 21 Bài thí nghiệm số 24 Ứng dụng Matlab khảo sát chất lượng hệ thống 24 3.1 Mục đích 24 3.2 Yêu cầu 24 Bài thí nghiệm số 28 Ứng dụng Simulink mô đánh giá chất lượng hệ thống 28 4.2 Yêu cầu 28 4.2.1 Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ 28 4.2.2 Khảo sát mơ hình điều khiển tốc độ động 34 Bài tập 39 Bài thí nghiệm số 45 THỰC HIỆN MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 45 1.1.Mục đích thí nghiệm 45 1.2.Yêu cầu 45 1.4 Bài tập 45 Thực tập Điều Khiển Tự Động Bài thí nghiệm số Ứng dụng Matlab mơ tả tốn học hệ thống Bài 1: Sử dụng Matlab để mơ tả tốn học đối tượng điều khiển Số liệu: G1=5,G2=G5=s,G6=s+2,H1=1,G2=G4= Câu 1: Câu 2: Biến đổi ta được: 1 ,H3= ,H2= s+1 1+4s s Thực tập Điều Khiển Tự Động Giải: Khai báo giá trị : G1=5; %Bài G2=tf([1],[1 1]); G1G3=parallel(G1,G3); G4=tf([1],[1 1]); G2H1=feedback(G2,H1); G3=tf([1 0],[1]); Gtd1=feedback(series(G1G3,G2H1),1) G5=tf([1 0],[1]); %Bài G6=tf([1 2],[1]); G3G4G6=parallel(G3,tf(G6,G4)); H1=tf([1],[1]); G4G5H3=feedback(series(G4,G5),H3); H3=tf([3],[4 1]); G2G4H2=feedback(series(G2,series(G3G4G6,G4G5H3)),H2); H2=tf([1],[1 0]); Gtd2=feedback(series(G1,G2G4H2),H1)sdadsdsdsdsadsad Khai báo cửa sổ Editor Thực tập Điều Khiển Tự Động Kết hiển thị cửa sổ Command Window: Thực tập Điều Khiển Tự Động Bài thí nghiệm số Ứng dụng Matlab khảo sát tính ổn định hệ thống 2.1 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode 2.1.1 Mục đích Từ biểu đồ Bode hệ hở G(s), tìm tần số cắt biên,pha dự trữ, tần số cắt pha, biên dự trữ Dựa vào kết tìm để xét tính ổn định hệ hồi tiếp âm đơn vị có hàm truyền vịng hở G(s) 2.1.2 u cầu G(s)= K (s+0.2)(s +8s+20) a Với K=10, vẽ biểu đồ Bode biên độ pha hệ hở khoảng tần số (0.1, 100) Khai báo cửa sổ Editor K=10; G=tf(K,conv([1 0.2],[1 20])) bode(G,{0.1 100}) grid on Biểu đồ Bode biên ( Magnitude ), Bode pha ( Phase) Thực tập Điều Khiển Tự Động b Dựa vào biểu đồ Bode tìm tần số cắt biên, pha dự trữ, tần số cắt pha, biên dự trữ Khai báo cửa sổ Editor: K=10; G=tf(K,conv([1 0.2],[1 20])) bode(G,{0.1 100}); grid on margin(G) Kết hiển thị: Thực tập Điều Khiển Tự Động c Hãy xét tính ổn định hệ thống kín Theo tiêu chuẩn Bode: “Sau xác định độ dự trữ biên độ GM độ dự trữ pha PM hệ hở ta xét ổn định hệ kín sau: Hệ kín ổn định hệ hở có độ dự trữ biên độ dự trữ pha dương ( Hệ kín ổn định ⇔ hệ hở có GM>0 dB PM>0° )”1 Trong có độ dự trữ biên Gm=24.8dB > 0, Độ dự trữ pha Pm= 103deg > Do hệ kín ổn định theo tiêu chuẩn Bode d Hãy vẽ đáp ứng độ hệ thống với đầu vào hàm nấc đơn vị khoảng thời gian t=0÷10s để minh họa kết luận câu c Khai báo cửa sổ Editor: K=10; G=tf(K,conv([1 0.2],[1 20])) Gk=feedback(G,1); step(Gk,10); Kết hiển thị: Bộ giáo dục đào tạo (2012) Bài giảng môn học “Điều khiển tự động”, Tác giả: Nguyễn Thế Hùng, trang 127 Thực tập Điều Khiển Tự Động d Với K=400 thực lại yêu cầu từ câu a→d Với K=400, vẽ biểu đồ Bode biên độ pha hệ hở khoảng tần số (0.1, 100) Khai báo cửa sổ Editor K=400; G=tf(K,conv([1 0.2],[1 20])) bode(G,{0.1 100}) grid on b Dựa vào biểu đồ Bode tìm tần số cắt biên, pha dự trữ, tần số cắt pha, biên dự trữ Khai báo cửa sổ Editor: K=400; G=tf(K,conv([1 0.2],[1 20])) bode(G,{0.1 100}); grid on margin(G) Thực tập Điều Khiển Tự Động Hãy xét tính ổn định hệ thống kín Theo tiêu chuẩn Bode Ta có: Độ dự trữ biên Gm=-7.27dB < 0, Độ dự trữ pha Pm=-23.4deg τ1 ) (τ1s+1)(τ 2s+1) ( s+1)( s+1) 10 K 1 , = điều khiển PI có hàm truyền sau: G PI (s)=K P + I 10 s 36 Thực tập Điều Khiển Tự Động Với K P = τ2 10000 1 40000 = = = = , KI = 2Kτ1 2.0,000375 2Kτ1 2.0,000375 10 10 Vậy hàm truyền là: G PI(s) = 10000 40000 + 3s d Xây dựng mơ hình điều khiển nhiệt độ sau: đó: • Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc đơn vị r(t)=200 tương ứng tốc độ mong muốn 200 • Bộ điều khiển PID có thơng số tính tốn câu c (kD=0) • Động có hàm truyền tính tốn câu b • Thời gian mơ Stop Time = 10s Kết sau khối Scope: 37 Thực tập Điều Khiển Tự Động d.1 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển P ( kI = 0, kD = ) Tìm độ vọt lố, sai số xác lập thời gian độ theo bảng sau: kp 10 20 30 50 σmax% 2.2e-14 0.0063 0.0824 2.56 6.67 exl 0.96 0.72 0.57 0.47 0.34 txl 1.05 0.7 0.486 0.612 0.56 Nhận xét: Tăng Kp làm tăng tốc độ đáp ứng hệ kín, giảm sai số xác lập lại làm tăng tính dao động (tăng độ vọt lố) hệ Giải thích: u=K p e+K I  edt+K d de Trong toán ta thấy K I =0,K D =0 u=K p e dt Kp lớn u gần với Kp.e Nếu Kp lớn e dù nhỏ sinh u lớn, hệ thống vọt lên nhanh chống để làm cho e nhỏ tốt Đôi vọt đà sinh vọt lố, có làm cho hệ thống ổn định d.2 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển PI ( kp = 33.323, kD = ) Tìm độ vọt lố, sai số xác lập thời gian độ theo bảng sau Ki 50 100 200 300 σmax% 0 18.2 34.8 exl 0 0 txl 186 3.13 1.13 1.24 1.62 Nhận xét: Sử dụng thêm thành phần Ki phạm vi hệ thống cịn ổn định, sai số xác lập e(∞) Tăng Ki làm tăng tốc độ đáp ứng hệ kín lại làm tăng độ vọt lố Khi Ki tăng giới hạn, hệ thống ổn định Giải thích: Nếu Ki tăng(lớn) cần  edt nhỏ gây tác động lớn lên hệ thống u Đối với hệ thống Ki tăng xuất bù trừ e khiến cho e 38 Thực tập Điều Khiển Tự Động Bài tập Dựa vào hệ phương trình biến trạng thái (HPT) tìm câu 4.2.2a dùng Simulink mô tả động HPT Sau thay khối động mô tả hàm truyền sơ đồ mô khối động mô tả HPT làm lại câu 4.2.2d Nhận xét kết quả: Từ câu 4.2.2a Ta lấy phương trình vi phân: di dω =  -Ri-K b ω+u  , =  K mi-K f ω dt L dt J Xây dựng mơ hình vi phân simulink Bộ điều khiển động phương trình vi phân: Đánh giá ưu khuyết điểm hai phương pháp mô tả đối tượng : hàm truyền kỹ thuật không gian trạng thái Minh chứng mô phỏng: 39 Thực tập Điều Khiển Tự Động So sánh hai hình vẽ Hình vẽ đối sử dụng hàm truyền Hình vẽ đối tượng sử dụng kỹ thuật không gian trạng thái 40 Thực tập Điều Khiển Tự Động Sử dụng hàm truyền: Ưu điểm: Dễ khảo sát đặt tính hệ thống, độ vọt lố thời gian xác lập, thời gian tăng trưởng, Nhược điểm: Khơng mang tính thực tế cao Sử dụng kỹ thuật không gian trạng thái: Ưu điểm: Thấy mức độ xác mức độ hoạt động động ngồi thực tế, từ lựa chon thiết bị thay đổi thông số cho phù hợp với điều kiện Nhược điểm: Khó khảo sát, tính tốn Đánh giá chất lượng hệ thống mơ hình điều khiển tốc độ động có momen tải (Mc=0.01) với điều khiển PI thiết kế khơng có momen tải Hàm truyền PID khơng có moment tải: G PI(s) = 10000 40000 + 3s Hàm truyền G(s) có moment tải Mc=0.01 Do đề khơng u cầu nên dựa vào tính chất tải ngược lại nên cho moment tải hồi tiếp âm Hàm truyền động có moment tải: G(s) = = K m -M t (Ls+R) 0.015-0.01(0.5s+2) = (Ls+R)(Js+K f )+K b K m -K b M t (Ls+R) (0.5s+2)(0.02s+0.2)+0.000225-0.0015(0.5s+2) -0.005s-0.005 (Động chịu tải) (s+4)(s+10) 41 Thực tập Điều Khiển Tự Động Sơ đồ matlab Simulink Kết hiển thị biểu đồ Scope Đánh giá: Chất lượng hệ thống không tốt Do chịu tải Mc=0.01 hệ thống bị lực tác động kéo ngược phần âm, tức di chuyển ngược lại sau khoảng thời gian 9s (Trường hợp sử dụng lại PI khơng có moment tải) 42 Thực tập Điều Khiển Tự Động Trong mơ hình điều khiển nhiệt độ, hàm truyền đối tượng lị nhiệt mơ tả khâu quán tính khâu trễ hai khâu qn tính Hãy mơ tả lị nhiệt theo cách thiết kế điều khiển PID tương ứng Đánh giá chất lượng điều khiển mô phỏng: Hàm truyền lò nhiệt là: G(s) = Ke-T1s 250e−25 s = 1+T2s + 100s Hàm truyền tạo hai khâu quán tính: G(s) = K 250 = (T1s+1)(T2s+1) (100s + 1)(25s + 1) Nhận xét: Khi thay khâu quán tính khâu trễ hai khâu quán tính Ta nhận thấy tín hiệu khoảng thời gian đầu có tăng khơng tăng đột ngột sử dụng khâu quán tính khâu trễ 43 Thực tập Điều Khiển Tự Động Bộ PID tương ứng: K=250, T1=25, T2=100 Kp= 1,2T2 1,2.100 = =0.0192 , T1K 25.250 Ti=2T1 =2.25=50 , Td=0,5T1 =0,5.25=12,5 Do G PID (s) = Kp.s+ Kp +Kp.Td.s = 0.0192+ + 0.24 s Ti.s 15625s Mô phỏng: Đánh giá chất lượng điều khiển mô phỏng: Độ vọt lố 19.2% thời gian xác lập 232 Sai số xác lập Thực tế ta lựa chọn PID với thông số Kp, Ki, Kd cho kết đáp ứng tốt phù hợp với mục đích sử dụng 44 Thực tập Điều Khiển Tự Động Bài thí nghiệm số THỰC HIỆN MƠ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1.Mục đích thí nghiệm Dùng simulink để mô điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ phòng cách thay đổi vận tốc quạt 1.2.Yêu cầu Thực công việc theo hướng dẫn 1.4 Bài tập Dùng simulink với khối fuzzy thực tập sau: Để điều khiển tự động máy điều hòa nhiệt độ kỹ thuật logic mờ, người ta dùng hai cảm biến: Trong phòng cảm biến nhiệt Ti, bên ngồi cảm biến nhiệt T0 Việc điều hịa nhiệt độ thông qua điều khiển tốc độ quạt làm lạnh máy điều hòa Biết rằng: - Tầm nhiệt độ quan tâm [0 – 500 độ C]; - Tốc độ quạt v [0 – 600 vòng/phút] Ti,To: {Lạnh, Vừa, Nóng) tương ứng với {20, 25, 300C) V: {Zero, Chậm, Trung bình, Nhanh, Max) tương ứng với {0, 150, 300, 450, 600 vịng/phút} Chọn biến ngơn ngữ: Ti, To: {Rất lạnh, Lạnh, Vừa, Nóng, Rất nóng} tương ứng với nhiệt độ{15,20,25,30,35} Tốc độ quạt là: {Zero, Chậm, Trung bình, Nhanh, Max} 45 Thực tập Điều Khiển Tự Động Giải Đặt tên cho ô input: Khai báo Ti: 46 Thực tập Điều Khiển Tự Động Khai báo To: Khai báo output 47 Thực tập Điều Khiển Tự Động Kết hiển thị Mô với khối Scope 48 Thực tập Điều Khiển Tự Động Kết hiển thị: 49 Thực tập Điều Khiển Tự Động Tài liệu thao khảo Bài giảng môn học “ Điều khiển tự động” Tác giả: Nguyễn Thế Hùng 50 ... Nhanh, Max} 45 Thực tập Điều Khiển Tự Động Giải Đặt tên cho ô input: Khai báo Ti: 46 Thực tập Điều Khiển Tự Động Khai báo To: Khai báo output 47 Thực tập Điều Khiển Tự Động Kết hiển thị Mô với... sau: Để điều khiển tự động máy điều hòa nhiệt độ kỹ thuật logic mờ, người ta dùng hai cảm biến: Trong phòng cảm biến nhiệt Ti, bên cảm biến nhiệt T0 Việc điều hịa nhiệt độ thơng qua điều khiển. .. Bộ điều khiển động phương trình vi phân: Đánh giá ưu khuyết điểm hai phương pháp mô tả đối tượng : hàm truyền kỹ thuật không gian trạng thái Minh chứng mô phỏng: 39 Thực tập Điều Khiển Tự Động