ứng dụng simulink trong mô phỏng và đánh giá chất lượng của hệ thống

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Ứng dụng Simulink mơ đánh giá chất lượng hệ thống Sinh viên thực (nhóm 11) Tơn Thị Thanh Thảo – 19151018 Lê Tấn Đạt – 19151109 BÀI a) Hãy xác định hàm truyền gần lò nhiệt Ta có: T1  15, T2  100, K  250 Do tín hiệu vào hàm nấc đơn vị (P=100%) nên F ( s)  R ( s)  s K s(1  T2 s) C (s )  Áp dụng định lý chậm trễ ta G(s)  Suy hàm truyền lò nhiệt Ke T1s s (1  T2 s ) Ke T1s K 250    T2 s (1  T1s )(1  T2 s ) (1  15s)(1  100 s ) Trong đó:  K: hệ số khuếch đại  T1: thời gian trễ  T2: thời lò nhiệt  u(t): điện áp cung cấp cho lò nhiệt (đơn vị: V)  y(t): nhiệt độ lò nhiệt (đơn vị: oC) b) Dùng Simulink xây dựng mơ hình điều khiển vịng hở lị nhiệt Bật Simulink hình: Điều chỉnh: khối hệ thống Điều chỉnh khối step hình Điều chỉnh khối transfer function hình Điều chỉnh transport delay Tại Command Window nhập lệnh để khai báo biến gán giá trị cho biến: >> K=250; T1=15; T2=100; Nhấn Enter để thực thi lệnh → Trên công cụ Simulation, nhấn Run để biên dịch → Nhấp vào khối Scope, giao diện xuất hiện, nhấn Run để xuất đồ thị Trên hình vẽ câu trên, vẽ tiếp tuyến điểm uốn để tính thơng số T 1, T2 So sánh với đặc tính lị nhiệt hình 4.5 Dựa vào đồ thị ta có: Đường thẳng Time = 15.143 qua tiếp điểm đồ thị tiếp tuyến Đường thẳng Time = 136.475 qua giao điểm tiếp tuyến với đường thẳng K = 250, cắt đồ thị điểm Dựa vào Measurements ta có: T1 = 15.143 (s) T2 = ∆ T = 121.333 (s) Nhận xét: Đồ thị mơ có đường tương đồng với thị ban đầu nên dùng để áp dụng c) Tính giá trị thơng số KP, KI, KD khâu PID theo phương pháp Zeigler – Nichols KI s 1, 2T2 1, 2.100 KP    0.032 KT1 250.15 GPI ( s)  K P  KI  Kp 2.K T1  0.032  4.266.106 2.250.15 K D  0.5 K PT1  0,5.0.032.15  0.24 Ti = 2T1 = 2×15 = 30 Td = 0.5T1 = 0.5×15 = 7.5 Hàm truyền điều khiển PID(s) với thông số theo Zeigler-Nichols sau: G PID ( s)=K p (1+ + T s) Ti s d G PID ( s)=0.0296(1+ +10 s ) 40 s d) Xây dựng mơ hình điều khiển nhiệt độ Mơ Simulink: Trong đó:  Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc đơn vị r(t) = 100 tương ứng nhiệt độ mong muốn 100oC, đặt Final value = 100  Bộ tổng có hồi tiếp âm đơn vị  Khâu bão hịa Saturation có giới hạn Upper limit = Lower limit = 0, nghĩa ngõ điều khiển có cơng suất cung cấp từ 0% đến 100%  Bộ điều khiển PID có thơng số tính tốn câu c  Đối tượng lị nhiệt có hàm truyền tính toán câu a Kết trước điều chỉnh PID: Kết sau điều chỉnh: Thông số điều chỉnh: Step: Final Value (100) Kp: 10 Ki: 0.0000042666 Kd: 100 Nhận xét: Sau điều chỉnh, khơng cịn (từ 50% xuống cịn 0%), nhiệt độ xác hơn, thời gian xác lập rút ngắn từ 350s xuống 135s kp 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 0.0 0.0 0.01 0.04 0.05 Tr σ max % e xl 0.3 t xl 90 0.1 130 0.1 150 0 0.09 0.07 160 170 Nhận xét: Khi tăng Kp độ vọt lố tăng, sai số xác lập giảm, thời gian xác lập tăng kI Tr σ max % e xl t xl d.2) Thực khảo sát hệ thống với điều khiển PI ( kp = 0.024, kD = ) Tìm độ vọt lố, sai số xác lập thời gian độ theo bảng sau 0.0001 0.0003 0.0005 0.0007 0.001 0.0 300 0.001 400 44 54 10−6 6,8 10−4 1,83.10−3 560 >600 >600 Nhận xét: Khi tăng Ki, độ vọt lố tăng, sai số xác lập hệ thống gần biên độ dao động quanh giá trị xác lập d.3 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển PD ( kp = 0.024, kI = ) Tìm độ vọt lố, sai số xác lập thời gian độ theo bảng sau kD Tr σ max % e xl t xl 0.05 0.1 0.143 200 0.3 0.5 0.14285715 0.14285715 210 0.9 0.14285715 230 0.14285715 235 300 Nhận xét: Khi tăng Kd, độ vọt lố giảm dần tiến 0, sai số xác lập không thay đổi, thời gian xác lập tăng d.4 Nhận xét ảnh hưởng khâu P, I, D đến chất lượng hệ thống Khâu tỉ lệ P: làm giảm sai số xác lập mức chỉnh thô, đột vọt lố tăng, nhiên KP tăng lại làm hệ có dao động KP>Kgh hệ ổn định Khâu tích phân I: làm giảm mạnh sai số xác lập (gần 0), tăng độ vọt lố Khâu vi phân D: giảm độ vọt lố, tăng thời gian xác lập Một số phương pháp điều chỉnh PID Phương pháp Ziegler–Nichols Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm là phương pháp Ziegler–Nichols, đưa bởi John G Ziegler và Nathaniel B Nichols vào năm 1940 Giống phương pháp trên, độ lợi Ki và Kd lúc đầu gán không Độ lợi P được tăng tiến tới độ lợi tới hạn Ku, đầu vòng điều khiển bắt đầu dao động Phương pháp điều chỉnh Ziegler – Nichol: Dạ ng điều khiển Kp P 0.5Ku PI 0.45Ku 1.2Kp/Ku PID 0.6Ku 2Kp/Ku Ki Kd KpKu/8 Phương pháp sử dụng phần mềm chỉnh PID Hầu hết ứng dụng công nghiệp đại khơng cịn điều chỉnh vịng điều khiển sử dụng phương pháp tính tốn thủ cơng Thay vào đó, phần mềm điều chỉnh PID tối ưu hóa vịng lặp dùng để đảm báo kết chắn Những gói phần mềm tập hợp liệu, phát triển mơ hình xử lý, đề xuất phương pháp điều chỉnh tối ưu Vài gói phần mềm chí cịn phát triển việc điều chỉnh cách thu thập liệu từ thay đổi tham khảo Điều chỉnh PID toán học tạo xung hệ thống, sau sử dụng đáp ứng tần số hệ thống điều khiển để thiết kế giá trị vòng điều khiển PID Trong vịng lặp có thời gian đáp ứng kéo dài nhiều phút, nên chọn điều chỉnh tốn học, việc thử sai thực tế kéo dài nhiều ngày để tìm điểm ổn định cho vịng lặp Giá trị tối ưu khó tìm Vài điều khiển số cịn có chức tự điều chỉnh, thay đổi nhỏ điểm đặt gửi tới trình, cho phép điều khiển tự tính tốn giá trị điều chỉnh tối ưu Các dạng điều chỉnh khác dùng tùy theo tiêu chuẩn đánh giá kết khác Nhiều phát minh nhúng sẵn vào module phần mềm phần cứng để điều chỉnh PID Phương pháp điều chỉnh thủ công Chọn Kp trước: thử điều khiển P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng), điều chỉnh Kp cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshoot nhỏ Thêm thành phần D để loại overshoot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm chọn giá trị thích hợp Steady state error xuất Thêm thành phần I để giảm steady state error Nên tăng Ki từ bé đến lớn để giảm steady state error đồng thời không overshot xuất trở lại So sánh phương pháp: Phương pháp Điều chỉnh thủ công Ziegler – Nichol Công cụ phần mềm Ưu điểm Không cần biết toán Phương pháp online Phương pháp chứng minh Phương pháp online Điều chỉnh chắn Phương pháp online offline Có thể bao gồm phân tích van cảm biến Cho phép mô trước tải xuống để thực thi Khuyết điểm Yêu cầu nhân viên có kinh nghiệm Làm rối loạn trình,một số thử nghiệm lỗi,phải điều chỉnh nhiều lần Giá cao, phải huấn luyện  ...b) Dùng Simulink xây dựng mơ hình điều khiển vịng hở lị nhiệt Bật Simulink hình: Điều chỉnh: khối hệ thống Điều chỉnh khối step hình... + T s) Ti s d G PID ( s)=0.0296(1+ +10 s ) 40 s d) Xây dựng mơ hình điều khiển nhiệt độ Mơ Simulink: Trong đó:  Tín hiệu đặt đầu vào hàm nấc đơn vị r(t) = 100 tương ứng nhiệt độ mong muốn 100oC,... hệ thống, sau sử dụng đáp ứng tần số hệ thống điều khiển để thiết kế giá trị vòng điều khiển PID Trong vịng lặp có thời gian đáp ứng kéo dài nhiều phút, nên chọn điều chỉnh toán học, việc thử sai