Tài liệu hướng dẫn thực tập hệ thống điều khiển tự động

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -⸙∆⸙ - Tài liệu hướng dẫn thực tập hệ thống điều khiển tự động Biên soạn: Tp Hồ Chí Minh, 2021 Tài liệu hướng dẫn mơn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Mục Lục Danh sách hình ảnh Bài số Ứng dụng Matlab mơ tả tốn học hệ thống 1.1 Mục đích thí nghiệm 1.2 Hướng dẫn 1.2.1 Các lệnh 1.2.2 Một số lệnh mơ tả tốn học hệ thống điều khiển tự động 1.3 Yêu cầu thực hiện: 11 1.3.1 Hãy tìm hàm truyền hệ thống có sơ đồ hình hình 11 1.3.2 Biểu diễn hàm truyền hệ phương trình biến trạng thái 11 1.3.3 Khi hàm truyền hệ thống hình tính tốn theo hàm Matlab sau: 12 1.4 Câu hỏi mở: 14 1.5 Tài liệu tham khảo 14 Bài số 2.1 Ứng dụng Matlab khảo sát tính ổn định hệ thống 15 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Bode 15 2.1.1 Mục đích thí nghiệm 15 2.1.2 Hướng dẫn 15 2.1.3 Yêu cầu thực hiện: 16 2.2 Khảo sát hệ thống dùng biểu đồ Nyquist 16 2.2.1 Mục đích thí nghiệm 16 2.2.2 Hướng dẫn 16 2.2.3 Yêu cầu thực hiện: 16 2.3 Khảo sát hệ thống dùng phương pháp quĩ đạo nghiệm số 17 2.3.1 Mục đích thí nghiệm 17 2.3.2 Hướng dẫn 17 2.3.3 Yêu cầu thực hiện: 18 2.3.4 Gợi ý 18 2.4 Bài tập 19 2.5 Câu hỏi mở: 19 2.6 Tài liệu tham khảo: 19 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Bài số 2021 Ứng dụng Matlab khảo sát chất lượng hệ thống 20 3.1 Mục đích thí nghiệm 20 3.2 Hướng dẫn 20 3.3 Yêu cầu thực hiện: 20 3.4 Câu hỏi mở: 21 3.5 Tài liệu tham khảo: 21 Bài số Ứng dụng Simulink mô đánh giá chất lượng hệ thống 22 4.1 Mục đích thí nghiệm 22 4.2 Hướng dẫn 22 4.3 Yêu cầu thực hiện: 26 4.3.1 Khảo sát mơ hình điều khiển nhiệt độ 26 4.3.2 Khảo sát mơ hình điều khiển tốc độ động 28 4.4 Bài tập 30 4.5 Tài liệu tham khảo 30 Bài số Thực Hiện Mô Phỏng Bộ Điều Khiển Mờ 31 5.1 Mục đích thí nghiệm 31 5.2 Yêu cầu thực hiện: 31 5.3 Hướng dẫn tiến hành thí nghiệm 31 5.4 Bài tập 36 5.4.1 Điều khiển nhiệt độ 36 5.4.2 Điều khiển vị trí động 36 5.5 Bài tập mở rộng 39 5.6 Tài liệu tham khảo 39 Bài số Khảo sát điều khiển PID cho hệ thí nghiệm động DC 40 6.1 Mục đích thí nghiệm 40 6.2 Yêu cầu chuẩn bị: 40 6.3 Hướng dẫn 40 6.4 Yêu cầu thực hiện: 41 6.4.1 Xây dựng điều khiển vòng hở 41 6.4.2 Xây dựng điều khiển hồi tiếp PID 41 6.4.3 Khảo sát điều khiển PID 42 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 6.4.4 2021 Thiết kế điều khiển PID 43 6.5 Câu hỏi mở: 43 6.6 Tài liệu tham khảo 43 Bài số Khảo sát điều khiển mờ cho hệ thí nghiệm động DC 44 7.1 Mục đích thí nghiệm 44 7.2 Hướng dẫn 44 7.2.1 Giới thiệu phần cứng 44 7.2.2 Giới thiệu điều khiển mờ cho động DC 44 7.3 Yêu cầu thực hiện: 46 7.4 Câu hỏi mở: 47 7.5 Tài liệu tham khảo 47 Bài số Khảo sát điều khiển PID cho hệ lò nhiệt thực nghiệm 48 8.1 Mục đích thí nghiệm 48 8.2 Kiến thức bản: 48 8.3 Yêu cầu thực hiện: 48 8.4 Câu hỏi mở: 50 8.5 Tài liệu tham khảo 50 Bài số Khảo sát bội điều khiển PID cho đối tượng bồn nước đơn 51 Mục đích thí nghiệm 51 9.1 Kiến thức bản: 51 9.1.1 Mô Error! Bookmark not defined 9.1.2 Thực nghiệm Error! Bookmark not defined 9.2 Câu hỏi mở: 53 9.3 Tài liệu tham khảo 53 Phụ lục A 55 Mạch điều khiển Arduino MEGA 2560 R3 55 IC điều khiển động L298N 56 Giới thiệu cảm biến đo khoảng cách HC-SR04 58 Giới thiệu bơm 385 58 Phụ lục B 60 Phụ lục C 62 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Hướng dẫn cài đặt thư viện Simulink Support Package for Arduino Hardware 62 Hướng dẫn thiết lập điều khiển vịng hở có hồi tiếp MATLAB 62 Hướng dẫn vẽ nhiều liệu đồ thị 66 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Danh sách hình ảnh Hình 1.1 Sơ đồ khối 12 Hình 1.2 Sơ đồ khối 12 Hình 1.3 Sơ đồ khối 12 Hình 2.1: Kết biểu đồ bode biên bode pha 15 Hình 2.2: Hình ghi giá trị biểu đồ Nyquist 17 Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống hồi tiếp âm 17 Hình 2.4 Biểu đồ QĐNS 18 Hình 3.1: Đáp ứng độ hệ thống 20 Hình 4.1 Thư viện MATLAB Simulink 22 Hình 4.2 Các bước chọn lại thư mục làm viêc (current folder) 24 Hình 4.3 Cửa số khối scope 25 Hình 4.4 Cài đặt thơng số để xuất liệu workspace 25 Hình 4.5 Đặc tính lị nhiệt 26 Hình 4.6 Sơ đồ mơ lị nhiệt 27 Hình 4.7 Sơ đồ mơ điều khiển PID cho lò nhiệt 27 Hình 4.8 Mơ hình động chiều 28 Hình 4.9 Sơ đồ mơ động chiều 29 Hình 5.1 Giao diện Fuzzy 31 Hình 5.2 Chức khối giao diện mờ 32 Hình 5.3 Khai báo tên ngõ vào ngõ 32 Hình 5.4 Tạo tập mờ ngõ vào 33 Hình 5.5 Tạo tập mờ ngõ 33 Hình 5.6 Tập mờ ngõ vào 34 Hình 5.7 Xây dựng luật mờ 34 Hình 5.8 Xuất hệ mờ 35 Hình 5.9 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ 35 Hình 5.10 Lấy khối Fuzzy Logic Control 35 Hình 5.11 Nhập file mờ bào khối fuzzy logic control 36 Hình 5.12 Sơ đồ mơ động chiều với điều khiển mờ 37 Hình 5.13: Các tập mờ ngõ vào sai số 37 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Hình 5.14: Các tập mờ ngõ vào tốc độ thay đổi sai số 37 Hình 5.15: Các tập mờ ngõ điều khiển mờ 38 Hình 6.1: Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển động DC 40 Hình 6.2: Sơ dồ khối điều khiển vịng hở khơng có hồi tiếp 41 Hình 6.3: Sơ đồ khối điều khiển vịng kín PID 41 Hình 7.1: Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển động DC 44 Hình 7.2: Sơ đồ điều khiển mờ 45 Hình 7.3: Các tập mờ ngõ vào sai số 45 Hình 7.4: Các tập mờ ngõ vào tốc độ thay đổi sai số 45 Hình 7.5: Các tập mờ ngõ điều khiển mờ 46 Hình 8.1 Mạch khuếch đại khơng đảo 48 Hình 8.2 Mạch phát điểm (zero) 48 Hình 8.3 Mạch kích triac 49 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Bài số Ứng dụng Matlab mơ tả tốn học hệ thống 1.1 Mục đích thí nghiệm Dùng Matlab tìm hàm truyền hệ phương trình biến trạng thái hệ thống điều khiển tự động 1.2 Hướng dẫn Để thực yêu cầu thí nghiệm sinh viên, sinh viên cần phải chuẩn bị trước lệnh Matlab Khi khởi động chương trình Matlab, cửa sổ Command Window xuất với dấu nhắc lệnh >> Để thực lệnh, sinh viên gõ lệnh từ bàn phím sau dấu nhắc 1.2.1 Các lệnh  Biểu diễn ma trận, véc tơ, đa thức  Đa thức biểu diễn véc tơ hàng với phần tử hệ số xếp theo thứ tự số mũ giảm dần Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021  Nhân hai đa thức dùng lệnh conv (convolution – tích chập) 1.2.2 Một số lệnh mơ tả tốn học hệ thống điều khiển tự động  Tạo hệ thống mô tả hàm truyền: lệnh tf (transfer function) Cú pháp G=tf(TS, MS) : tạo hệ thống có hàm truyền G có tử số đa thức tử số mẫu số đa thức MS  Đơn giản hàm truyền: lệnh minreal Cú pháp G=minreal(G): triệt tiêu thành phần giống tử số mẫu số để dạng hàm truyền tối giản  Tính hàm truyền hệ thống nối tiếp: lệnh series Cú pháp G=series(G1, G2): hàm truyền G = G1* G2 Chú ý: dùng toán tử “*” thay cho lệnh series Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động  2021 Tính hàm truyền hệ thống song song: lệnh parallel Cú pháp G=parallel(G1,G2) : hàm truyền G=G1+G2 Chú ý: dùng tốn tử “+ ” thay cho lệnh parallel  Tính hàm truyền hệ thống hồi tiếp : lệnh feedback Cú pháp: Gk= feedback(G,H) : tính hàm truyền hệ thống hồi tiếp âm 𝐺 + 𝐺𝐻 Cú pháp: Gk= feedback(G,H,+1):tính hàm truyền hệ thống hồi tiếp dương 𝐺𝑘 = 𝐺 − 𝐺𝐻 Tạo hệ thống mơ tả phương trình trạng thái: lệnh ss (state space) 𝐺𝑘 =  Cú pháp HPT=ss(A,B,C,D) : tạo hệ thống mô tả hệ phương trình trạng thái HPT có ma trận trạng thái A, B, C, D  Biến đổi mơ tả tốn học từ dạng hệ phương trình trạng thái dạng hàm truyền : lệnh tf (transfer function) Cú pháp : G=tf(HPT) 10 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Phụ lục A Mạch điều khiển Arduino MEGA 2560 R3 Hình A.1: Mạch điều khiển Arduino MEGA 2560 R3 Cấu tạo chân: Hình A.2: Sơ đồ chân mạch Arduino MEGA 2560 R3 - - Serial: (RX) (TX); serial 1: 19 (RX) 18 (TX); serial 2:17 (RX) va 16 (TX); serial 3: 15 (RX) 14(TX) Dùng để nhận (RX) truyền (TX) liệu TTL Serial Chân để kết nối với chân tương ứng ATmega2560 USB đến chip TTL serial External interrupts: chân ( ngắt 0), chân 3(ngắt 1), chân 18(ngắt 5), chân 19(ngắt 4), chân 20(ngắt 3) chân 21 (ngắt 2) Những chân thiết lâp để kích hoạt ngắt giá trị thấp, ngắt cạnh xuống cạnh lên, ngắt mức logic chân thay đổi 55 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động - - - 2021 PWM: từ – 13, cho phép banh xuất xung PWM với độ phân giải bit hàm analogWrite Chân giao tiếp SPI: 50(MISO), 51(MOSI), 52 (SKC), 53(SS) Các chân hỗ trợ SPI giao tiếp cách sử dụng thư viện SPI Chân SPI chia ICSP header, hồn tồn tương thích với UNO, Duemilanove Diecimila Led: 13 Có LED tích hợp kết nối với chân kỹ thuật số 13 Khi chân có giá trị cao, đèn LED sáng Khi chân có giá trị thấp, đèn tắt Vin (Voltage Input): Điện áp đầu vào cho bảng Arduino sử dụng nguồn điện ngồi (trái ngược với Volt từ kết nối USB nguồn điện quy định khác) Bạn cấp điện áp qua chân này, cấp điện áp qua giắc cắm nguồn, truy cập thơng qua chân AREF: Điện áp tham chiếu cho đầu vào tương tự Được sử dụng với hàm analogReference () Reset: việc nhấn nút Reset board để đặt vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Thông số làm việc: Điện áp hoạt động: 5V từ cổng USB từ nguồn cắm từu giác tròn DC Điện áp vào giới hạn: 6-20V Dòng điện DC I/0: 20mA Dòng điện DC với chân 3.3V: 50mA Xung nhịp: 16MHz IC điều khiển động L298N Sơ đồ mạch điều khiển: Hình A.3: IC điều khiển động L298N Cấu tạo chân: - Chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển Chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với chân INPUT) nối với chân 2, 3, 13, 14 L298 Các chân nối với động 56 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động - 2021 Hai chân ENA ENB dùng để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H khơng hoạt động Điều khiển chiều quay với L298: a b c Khi ENA = 0: Động không quay với đầu vào Khi ENA = 1: INT1 = 1; INT2 = 0: động quay thuân INT1 = 0; INT2 = 1: động quay nghịch INT1 = INT2: động dừng tức (tương tự với chân ENB, INT3, INT4) Thông số làm việc: - Điện áp điều khiển từ +5V ~ +12V Dòng tối đa cho mạch cầu H 2A Điện áp tín hiệu điều khiển +5V ~ +7V Dịng tín hiệu điều khiển ~ 36mA Cơng suất hao phí 20W(khi nhiệt độ T=75oC) Động DC Servo GM25-370 loại 12V 39RPM: Hình A.4: Động DC servo GM25-370 loại 12V 39RPM Thông số kỹ thuật: - Tỉ số truyền 217:1 (động quay 217 vịng trục hộp giảm tốc quay vịng) Dịng khơng tải: 150mA Dịng chịu đựng tối đa có tải: 750mA Tốc độ khơng tải: 39RPM (39 vòng phút) Tốc độ chịu đựng tối đa có tải: 32RPM (32 vịng phút) Lực kéo Moment định mức: 8KG.CM Lực léo Moment tối đa: 9KG.CM Chiều dài hộp số L: 25mm 57 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động - 2021 Số xung Encoder kênh vịng quay trục chính: 11 x 217 = 2387 xung Giới thiệu cảm biến đo khoảng cách HC-SR04 Hình A Cảm biến siêu âm HC-SR04 Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 sử dụng phổ biến để xác định khoảng cách rẻ xác Cảm biến sử dụng sóng siêu âm đo khoảng cách khoảng từ -> 300 cm, với độ xác gần phụ thuộc vào cách lập trình Cảm biến HC-SR04 có chân là: Vcc, Trig, Echo, GND Vcc 5V Trig Một chân Digital output Echo Một chân Digital input GND GND Sơ đồ nối chân HC-SR04 Arduino Nguyên lý hoạt động Để đo khoảng cách, ta phát xung ngắn (5 microSeconds - us) từ chân Trig Sau đó, cảm biến tạo xung HIGH chân Echo nhận lại sóng phản xạ pin Chiều rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biển quay trở lại Tốc độ âm không khí 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106/ (340*100)) Khi tính thời gian, ta chia cho 29,412 để nhận khoảng cách Giới thiệu bơm 385 Hình A Bơm 385 Thông số bơm 385 58 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động - 2021 Điện áp sử dụng: DC6-12V (khuyến nghị 9V1A 12V1A) Công suất làm việc: 6W / H Công suất làm việc: 1,5-2L / phút (khoảng) Hút tối đa: mét Phần đầu: Lên đến m Tuổi thọ: Lên đến 2500G Nhiệt độ nước: Lên đến 80 Điện áp 6V công suất 6W / Cảm biến SHARP (GP2Y0A21YK0F) Hình A Cảm biến SHARP GP2Y0A21YK0F cảm biến đo lường khoảng cách Nó bao gồm cảm biến thu pháp hồng mạch xử lý Sư khác biệt vật thể phản xạ, nhiệt độ môi trường thời gian hoạt động không dễ ảnh hưởng tới kết đo phương pháp xử lý tam giác Đặc trưng: - Khoảng cách đo: 10 – 80 cm Ngõ tín hiệu tương tự Dịng tiêu thụ: 30mA Điện áp cung cấp 4.5 đến 5.5 V Ứng dụng: - Robot dọn dẹp Cảm biến phục vụ cho việc tiết kiệm lượng (ATM, máy copy, máy bán hàng) Các nút không chạm Datasheet 59 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Phụ lục B Code điều khiển PID nhiệt độ dùng Arduino (chương trình Arduino cài đặt TimerOne.h thành công theo, tham khảo link: https://arduinokit.vn/huong-dan-them-moithu-vien-trong-arduino-ide/) #include #define LM35_PIN A0 #define TRIAC_PIN #define Kp #define Kd 0.001 #define Ki 0.01 float nhietdodat=40; float nhietdo; float t; float E, E1, E2, alpha, gamma, beta; float Output=0; float LastOutput=0; float thoigian=0; int flag=0; float T=1.5; //thoi gian lay mau 1.5s float timerloop; float tam=0; /*HAM DOC NHIET DO*/ void Temperature() { float read_ADC; analogReference(DEFAULT); read_ADC=(analogRead(LM35_PIN)*5/1023.0)/2.0; nhietdo=read_ADC*100.0; //1000/10 } /*HAM DIEU KHIEN TRIAC*/ void TriacControl() { delayMicroseconds(thoigian*1000); digitalWrite(TRIAC_PIN,HIGH); delay(1); digitalWrite(TRIAC_PIN,LOW); } 60 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 void PID() { for (int i=0; i9) Output=9; else if (Output> Configuration Properties Sau ta chọn tab Logging, chọn Log data to workspace, đặt tên biến data1, chọn định dạng biến Structure with Time Kết thiết lập trình bày Hình C.15 Lưu ý: Mỗi lần chạy thí nghiệm thay đổi tên biến thành data2, data3, … Hình C.15: Thiết lập cấu hình cho khối Scope Sau lần mô chạy, workspace xuất biến data1, data2, data3 trình bày Hình C.16 67 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Hình C.16: Các biến workspace Bước 2: Viết chương trình để vẽ liệu lên đồ thị Đầu tiên, ta tạo matlab file để viết chương trình Code matlab trình bày Hình C.17 Hình C.17: Chương trình vẽ nhiều liệu đồ thị Kết trình bày Hình C.18 Hình C.18: Kết chương trình vẽ 68 Tài liệu hướng dẫn môn Thực Tập Hệ Thống Điều Khiển Tự Động 2021 Như vậy, liệu mô chạy thời điểm khác lưu workspace vẽ đồ thị Phương pháp sử dụng để vẽ liệu thực nghiệm chạy với thông số điều khiển khác lưu workspace đồ thị 69