THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIẢM XÓC CỦA XE THEO PHƯƠNG NGANG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIẢM XÓC CỦA XE THEO PHƯƠNG NGANG Ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Chính Sinh viên thực hiện: Nhóm 4 TP. Hồ Chí Minh, 2021 DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM 4 MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH iii CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG GIẢM XÓC CỦA XE THEO PHƯƠNG NGANG 1 1.1. MÔ HÌNH TOÁN 1 1.1.1. Giới thiệu mô hình hệ thống 1 1.1.2. Phương trình vi phân của hệ thống 1 1.1.3. Hàm truyền của hệ thống 2 1.1.4. Phương trình trạng thái của hệ thống 3 1.2. KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG HỞ BẰNG MATLAB 4 1.2.1. Sử dụng matlab 4 1.2.2. Sử dụng simulink 5 1.3. KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG KÍN BẰNG MATLAB 6 1.3.1. Sử dụng matlab 6 1.3.2. Sử dụng simulink 9 CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 10 2.1. TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH ĐẠI SỐ: TIÊU CHUẨN ROUTH 10 2.2. TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH ĐẠI SỐ: TIÊU CHUẨN HURWITZ 10 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD, PI, PID CHO HỆ THỐNG 11 3.1. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD 11 3.1.1. Lựa chọn chất lượng đáp ứng của hệ thống 11 3.1.2. Xác định thông số P, D 11 3.1.3. Đáp ứng của hệ thống sau khi hiệu chỉnh: 13 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI 14 3.2.1. Lựa chọn chất lượng đáp ứng của hệ thống 14 3.2.2. Xác định thông số P, I 14 3.2.3. Đáp ứng của hệ thống sau khi hiệu chỉnh 16 3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 18 3.3.1. Lựa chọn chất lượng đáp ứng của hệ thống 18 3.3.2. Xác định thông số P, I, D 18 3.3.3. Đáp ứng của hệ thống sau hiệu chỉnh 20 CHƯƠNG 4. Thiết kế bộ điều khiển đặt cực, bộ quan sát trạng thái 22 4.1. THÀNH LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG 22 4.2. KIỂM TRA TÍNH ĐIỀU KHIỂN VÀ QUAN SÁT CỦA HỆ THỐNG 23 4.2.1. Kiểm tra tính điều khiển 23 4.2.2. Kiểm tra tính quan sát 24 4.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÀNG PHƯƠNG PHÁP ĐẶT CỰC 24 4.3.1. Khái quát về hệ thống điều khiển bằng phương pháp đặt cực 24 4.3.2. Lựa chọn chất lượng đáp ứng mong muốn 25 4.3.3. Xác định các cực vòng kín mong muốn 25 4.3.4. Xác định ma trận K 26 4.3.5. Kiểm tra chất lượng của hệ thống 26 4.3.6. Điều chỉnh 28 4.4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN QUAN SÁT TRẠNG THÁI 29 4.4.1. Lựa chọn chất lượng đáp ứng mong muốn 29 4.4.2. Xác định các cực vòng kín mong muốn 30 4.4.3. Xác định ma trận Ke 30 4.4.4. Kiểm tra chất lượng của hệ thống 31 4.4.5. Điều chỉnh 33 4.5. SO SÁNH CHẤT LƯỢNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN 35 CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ FUZZY 36 5.1. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD MỜ 36 5.1.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ 36 5.1.2. Xây dựng mô phỏng trên Matlab-Simulink 40 5.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ 43 5.2.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ 43 5.2.2. Xây dựng mô phỏng trên Matlab-Simulink 47

111Equation Chapter Section TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO MÔN HỌC LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN Đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIẢM XÓC CỦA XE THEO PHƯƠNG NGANG Ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Chính Sinh viên thực hiện: Nhóm TP Hồ Chí Minh, 2021 DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHĨM MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH .iii CHƯƠNG HỆ THỐNG GIẢM XÓC CỦA XE THEO PHƯƠNG NGANG 1.1 MƠ HÌNH TỐN 1.1.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống 1.1.2 Phương trình vi phân hệ thống .1 1.1.3 Hàm truyền hệ thống 1.1.4 Phương trình trạng thái hệ thống 1.2 KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG HỞ BẰNG MATLAB 1.2.1 Sử dụng matlab .4 1.2.2 Sử dụng simulink 1.3 KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG KÍN BẰNG MATLAB .6 1.3.1 Sử dụng matlab .6 1.3.2 Sử dụng simulink CHƯƠNG KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 10 2.1 TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH ĐẠI SỐ: TIÊU CHUẨN ROUTH 10 2.2 TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH ĐẠI SỐ: TIÊU CHUẨN HURWITZ 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD, PI, PID CHO HỆ THỐNG .11 3.1 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD 11 3.1.1 Lựa chọn chất lượng đáp ứng hệ thống 11 3.1.2 Xác định thông số P, D .11 3.1.3 Đáp ứng hệ thống sau hiệu chỉnh: 13 3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI 14 3.2.1 Lựa chọn chất lượng đáp ứng hệ thống 14 3.2.2 Xác định thông số P, I 14 3.2.3 Đáp ứng hệ thống sau hiệu chỉnh 16 3.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID .18 3.3.1 Lựa chọn chất lượng đáp ứng hệ thống 18 3.3.2 Xác định thông số P, I, D 18 3.3.3 Đáp ứng hệ thống sau hiệu chỉnh 20 CHƯƠNG Thiết kế điều khiển đặt cực, quan sát trạng thái 22 4.1 THÀNH LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG 22 4.2 KIỂM TRA TÍNH ĐIỀU KHIỂN VÀ QUAN SÁT CỦA HỆ THỐNG 23 4.2.1 Kiểm tra tính điều khiển .23 4.2.2 Kiểm tra tính quan sát 24 4.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÀNG PHƯƠNG PHÁP ĐẶT CỰC 24 4.3.1 Khái quát hệ thống điều khiển phương pháp đặt cực 24 4.3.2 Lựa chọn chất lượng đáp ứng mong muốn 25 4.3.3 Xác định cực vịng kín mong muốn 25 4.3.4 Xác định ma trận K 26 4.3.5 Kiểm tra chất lượng hệ thống .26 4.3.6 Điều chỉnh 28 4.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN QUAN SÁT TRẠNG THÁI 29 4.4.1 Lựa chọn chất lượng đáp ứng mong muốn 29 4.4.2 Xác định cực vịng kín mong muốn 30 4.4.3 Xác định ma trận Ke 30 4.4.4 Kiểm tra chất lượng hệ thống .31 4.4.5 Điều chỉnh 33 4.5 SO SÁNH CHẤT LƯỢNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN .35 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ FUZZY .36 5.1 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD MỜ 36 5.1.1 Xây dựng điều khiển mờ .36 5.1.2 Xây dựng mô Matlab-Simulink 40 5.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ 43 5.2.1 Xây dựng điều khiển mờ .43 5.2.2 Xây dựng mô Matlab-Simulink 47 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình hệ thống giảm xóc xe theo phương ngang Hình 1.2 Phân tích lực hệ thống Hình 1.3 Đáp ứng hệ thống hở dùng Matlab Hình 1.4 Mơ hình Simulink khảo sát đáp ứng hệ thống hở theo hệ phương trình trạng thái Hình 1.5 Đáp ứng hệ thống hở theo hệ phương trình trạng thái Hình 1.6 Mơ hình Simulink khảo sát đáp ứng hệ thống hở dùng hàm truyền Hình 1.7 Đáp ứng hệ thống hở dùng hàm truyền .6 Hình 1.8 Đáp ứng hệ thống kín dùng Matlab Hình 1.9 Độ vọt lố hệ thống vịng kìn .7 Hình 1.10 Thời gian ổn định hệ thống vịng kín .8 Hình 1.11 Thời gian lên hệ thống vịng kín .8 Hình 1.12 Mơ hình Simulink hệ thống kín chưa có điều khiển Hình 1.13 Đáp ứng hệ thống kín chưa có điều khiển .9 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống có thêm khâu hiệu chỉnh Gc(s) 11 Hình 3.2 Mơ hình Simulink hệ thống kín có khơng có điều khiển PD 13 Hình 3.3 Các thơng số điều khiển PD 13 Hình 3.4 Đáp ứng ngõ điều khiển PD 14 Hình 3.5 Mơ hình Simulink hệ thống kín có điều khiển PI 16 Hình 3.6 Các thơng số điều khiển PI 17 Hình 3.7 Đáp ứng ngõ điều khiển PI 17 Đồ án môn học: Lý thuyết điều khiển GVHD: Nguyễn Thị Chính CHƯƠNG HỆ THỐNG GIẢM XÓC CỦA XE THEO PHƯƠNG NGANG 1.1 MƠ HÌNH TỐN 1.1.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống Mơ hình mơ tả hệ thống giảm xóc theo phương ngang cho vật nặng đặt xe Vật nặng có khối lượng m nối với xe thơng qua lị xo có độ cứng k xi lanh giảm chấn có hệ số nhớt b Giả sử xe khơng có khối lượng bỏ qua ma sát Hệ trục tọa độ chọn hình HìnhFigure 1.1 Mơ hình hệ thống giảm xóc xe theo phương ngang 1.1.2 Phương trình vi phân hệ thống Gọi u(t) độ dịch chuyển xe theo phương ngang so với trục đứng u, y(t) độ dịch chuyển vật theo phương ngang so với trục đứng y Lực tác dụng lò xo lên vật tỉ lệ với độ nén x(t) đồng thời độ dịch chuyển vật so với xe, lực tác dụng giảm chấn lên vật tỉ lệ với vận tốc v(t) vật so với xe Ta phân tích lực tác dụng lên vật sau: Hình 1.2 Phân tích lực hệ thống Nhóm sinh viên thực hiện: nhóm 04 Đồ án môn học: Lý thuyết điều khiển GVHD: Nguyễn Thị Chính Để vật cân bằng, tổng lực tác dụng lên vật phải 0: F  Floxo  Fxilanh  � F   Floxo  Fxilanh 212\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: Floxo  kx(t ) Fxilanh  bv(t ) Theo định luật II – Newton: F  ma (t ) Độ nén lò xo độ dịch chuyển vật trừ độ dịch chuyển xe: x(t )  y (t )  u (t ) Vận tốc vật so với xe đạo hàm cấp độ dịch chuyển ấy: v(t )  x&(t )  y&(t )  u&(t ) Gia tốc vật có lực F tác dụng đạo hàm cấp độ dịch chuyển y(t) vật: a (t )  & y&(t ) Thay tất vào phương trình (1), ta được: ma (t )  kx(t )  bv (t ) &(t )  kx(t )  bx&(t ) � my& &(t )  k  y (t )  u (t )   b  y&(t )  u&(t )  � my& &(t )  by&(t )  ky (t )  bu&(t )  ku (t ) � my& Phương trình vi phân mơ tả hệ thống có dạng: &(t )  by&(t )  ky (t )  bu&(t )  ku (t ) 313\* MERGEFORMAT my& (.) 1.1.3 Hàm truyền hệ thống Từ phương trình vi phân (1.2) lấy Laplace vế ta được: ms 2Y (s )  bsY ( s )  kY ( s )  bsU ( s )  kU ( s ) �  ms  bs  k  Y ( s )   bs  k  U ( s ) Suy hàm truyền tổng quát hệ thống: Nhóm sinh viên thực hiện: nhóm 04 Đồ án môn học: Lý thuyết điều khiển G(s)  GVHD: Nguyễn Thị Chính Y (s) bs  k  U ( s ) ms  bs  k Chọn thông số m  150 kg ; b  450 Ns / m; k  900 N / m ta hàm truyền cho hệ thống giảm xóc xe theo phương ngang: G(s)  Y ( s) 450 s  900 3s    2 U ( s ) 150 s  450s  900 s  3s  414\* MERGEFORMAT (.) 1.1.4 Phương trình trạng thái hệ thống Hàm truyền (1.3) hệ thống: Y ( s) 3s   U ( s ) s  3s  Đặt biến phụ Z(s) thỏa: Y ( s)  (3s  6) Z ( s) U ( s)  ( s  3s  6) Z ( s) Suy ra: y (t )  3z&(t )  z (t ) 515\* MERGEFORMAT (.) u (t )  & z& (t )  z&(t )  z (t ) 616\* MERGEFORMAT (.) Đặt biến trạng thái: x1 (t )  z (t ) x2 (t )  x&1 (t )  z&(t ) � x&2 (t )  & z& (t ) Thay vào (1.4) (1.5) ta được: �x&1 (t )  x2 (t ) � �x&2 (t )  6 x1 (t )  3x2 (t )  u (t ) �y (t )  x (t )  x (t ) � 717\* MERGEFORMAT (.) Rút hệ phương trình trạng thái là: �x&(t )  Ax(t )  Bu (t ) � �y (t )  Cx(t ) 818\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: Nhóm sinh viên thực hiện: nhóm 04 Đồ án mơn học: Lý thuyết điều khiển GVHD: Nguyễn Thị Chính x (t ) � � x(t )  �1 � x2 (t ) � � �� B  �� �� �0 � A� 6 3� � � C   3 1.2 KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG HỆ THỐNG HỞ BẰNG MATLAB 1.2.1 Sử dụng matlab Hàm truyền vòng hở từ hàm truyền hệ thống là: G(s)  Y ( s) 3s   U ( s ) s  3s  Cú pháp vẽ đáp ứng hệ thống với đáp ứng đầu vào hàm nấc đơn vị: num = [3 6]; // khái báo tử số hệ thống den = [1 6]; // Khai báo mẫu số t = 0:0.01:10; //Độ phân giải step (num, den, t) // vẽ đáp ứng hệ thống Sau gõ cú pháp command window ta thu kết sau: Hình 1.3 Đáp ứng hệ thống hở dùng Matlab Nhóm sinh viên thực hiện: nhóm 04 Đồ án môn học: Lý thuyết điều khiển GVHD: Nguyễn Thị Chính Đáp ứng hệ thống hở:  Độ vọt lố 24.3%  Đỉnh cao hệ thống 1.24  Thời gian lên 0.363s  Thời gian xác lập mà đương cong đáp ứng: 2.72s 1.2.2 Sử dụng simulink Lấy Laplace hệ phương trình (1.6) ta được: �sX ( s)  X ( s) � �sX (t )  6 X ( s )  X ( s )  U ( s ) � Y ( s)  X ( s)  X ( s) � Từ hệ phương trình ta vẽ mơ hình hệ thống: Hình 1.4 Mơ hình Simulink khảo sát đáp ứng hệ thống hở theo hệ phương trình trạng thái Kết quả: Nhóm sinh viên thực hiện: nhóm 04 ... lượng hệ thống .31 4.4.5 Điều chỉnh 33 4.5 SO SÁNH CHẤT LƯỢNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN .35 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ FUZZY .36 5.1 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN... CỦA HỆ THỐNG 22 4.2 KIỂM TRA TÍNH ĐIỀU KHIỂN VÀ QUAN SÁT CỦA HỆ THỐNG 23 4.2.1 Kiểm tra tính điều khiển .23 4.2.2 Kiểm tra tính quan sát 24 4.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÀNG PHƯƠNG... CHƯƠNG HỆ THỐNG GIẢM XÓC CỦA XE THEO PHƯƠNG NGANG 1.1 MƠ HÌNH TỐN 1.1.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống 1.1.2 Phương trình vi phân hệ thống .1 1.1.3 Hàm truyền hệ thống