BÁO CÁO CUỐI KỲ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TRẠNG THÁI CHO CON LẮC đơn

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP TRẠNG THÁI CHO CON LẮC ĐƠN BÁO CÁO CUỐI KỲ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Nam Người thực (Nhóm 11): Phạm Trung Kiên_41800684 Trần Xuân Nghĩa_ 41801193 Võ Văn Ga Sin_41800269 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NGÀY 28 THÁNG 11 NĂM 2021 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành báo cáo này, em chân thành cảm ơn đến Thầy TS Nguyễn Hồng Nam tận tình hướng dẫn suốt trình làm báo cáo Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Tôn Đức Thắng truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm làm việc năm em học tập trường Cuối em chúc em kính chúc q Thầy, Cơ dồi sức khỏe đạt nhiều thành công nghiệp TP Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 11 năm 2021 Tác giả CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu nhóm tơi hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Hoàng Nam Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Tơn Đức Thắng khơng liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 11 năm 2021 Tác giả MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH BẢNG PHÂN CƠNG – ĐĨNG GĨP ST T 24 Họ Tên MSSV Cơng Việc Đóng góp Phạm Trung Kiên 41800684 40% 32 Trần Xuân Nghĩa 41801193 40 Võ Văn Ga Sin 41800269 Làm word, mô so sánh, Lý thuyết Làm word, tính tốn đề tài, lý thuyết Làm PowerPoint, Lý thuyết, Làm word 40% 20% Link video thuyết trình nhóm 11: https://drive.google.com/file/d/1WgpOXXbgSwCSZ9N_WiCvuJsHkHkK-OW0/view? usp=sharing CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Khái niệm điều khiển Điều khiển q trình thu thập thơng tin, xử lý thơng tin tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống “gần” với mục đích định trước (bám đuổi kịp mục đích điều khiển theo sát yêu cầu thiết kế) Điều khiển tự động qua trình điều khiển không cần tác động người Điều khiển học nghiên cứu hệ thống có chất khác nhau, có khả thu thập, lưu trữ, biến đổi thông tin sử dụng thông tin để định điều chỉnh điều khiển hệ thống đạt yêu cầu cần thiết 1.1 Các thành phần hệ thống điều khiển Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Để thực trình điều khiển định nghĩa trên, hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần thiết bị đo lường (cảm biến), điều khiển đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường có chức thu thập thơng tin, điều khiển thực chức xử lý thông tin, định điều khiển đối tượng điều khiển chịu tác động tín hiệu điều khiển Hệ thống điều khiển thực tế đa dạng, sơ đồ khối hình 1.1 cấu hình hệ thống điều khiển thường gặp Có nguyên tắc điều kiển: Nguyên tắc 1: Nguyên tắc thông tin phản hồi Muốn trình điều khiển đạt chất lượng cao, hệ thống phải tồn hai dịng thơng • tin: từ điều khiển đến đối tượng từ đối tượng ngược điều khiển (dịng thơng tin ngược gọi hồi tiếp) Điều khiển không hồi tiếp (điều khiển vịng hở) khơng thể đạt chất lượng cao, cóp nhiễu Các sơ đồ điều khiển dựa nguyên tắc thông tin phản hồi là: Điều khiển bù nhiễu : sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc bù nhiễu để đạt đầu c(t) mong muốn mà khơng cần quan sát tín hiệu c(t) Về nguyên tắc, hệ thống phức tạp điều khiển bù nhiễu cho chất lượng tốt Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu Điều khiển sang sai lệch : Bộ điều khiển quan sát tín hiệu c(t), so sánh với tín hiệu mong muốn r(t) để tính tốn tín hiệu điều khiển u(t) Nguyên tắc điều khiển điều chỉnh linh hoạt, loại sai lệch, thử nghiệm sửa sai Đây nguyên tắc điều khiển Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san sai lệch Điều khiển phối hợp: Các hệ thống điều khiển chất lượng cao thường phối hợp sơ đồ điều khiển bù nhiễu điều khiển san sai lệch hình 1.4 Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống diều khiển phối hợp Nguyên tắc 2: Nguyên tắc đa dạng tương xứng Muốn trình điều khiển có chất lượng dạng điều khiển phải tương • xứng với đa dạng đối tượng Tính đa dạng điều khiển thể khả thu thập thông tin, lưu trữ thơng tin, truyền tin, phân tích xử lý, chọn định, … Ý nghĩa nguyên tắc cần thiết kế điều khiển phù hợp với đối tượng Nguyên tắc 3: Nguyên tắc bổ sung Một hệ thống tồn hoạt động môi trường cụ thể có tác động qua lại • chặc chẽ với mơi trường Ngun tắc bổ sung ngồi thừa nhận có đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống ta phải điều khiển hệ thống lẫn hộp đen Ý nghĩa nguyên tắc thiết kế hệ thống tự động, muốn hệ thống có chất lượng cao khơng thể bỏ qua nhiễu môi trường tác động vào hệ thống Nguyên tắc 4: Nguyên tắc dự trữ Vì nguyên tắc coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phịng bất trắc xẩy • khơng dùng tồn lực lượng điều khiển bình thường Vốn dự trữ khơng sử dụng, cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn Nguyên tắc 5: Nguên tắc khẩn cấp Đối với hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ • sung cho trung tâm Cấu trúc phân cấp thường sử dụng cấu trúc hình cây, ví dụ hệ thống điều khiển giao thơng đô thị đại, hệ thống điềukhiển dây chuyền sản xuất Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển phân cấp Nguyên tắc 6: Nguyên tắc cân nội Mỗi hệ thống cần xây dựng chế cân nội để có khả tự giải • biến động xẩy 1.2 Phân loại điều khiển Theo phương pháp phân tích thiết kế • Hệ thống tuyến tính & hệ thống phi tuyến o Hệ thống tuyến tính khơng tồn thực tế, tất hệ thống vật lý phi tuyến o Hệ thống điều khiển tuyến tính mơ hình lý tưởng để đơn giản hóa q trình phân tích thiết kế hệ thống 10 ( Thỏa < < ) Phân tích chất lượng hệ thống: Độ vọt lố (overshoot): POT= Thời gian xác lập (setting time): theo tiêu chuẩn 2% Thời gian lên (rise time): = = = 0.5 (s) Thời gian đạt đỉnh (peak time): 2.4 Rời rạc hố hàm truyền hệ thống Ta có: G(s) = � (�) � G(s) = 17 Thay T= �.1(s) vào �� � �� (�): Hàm truyền hệ thống: T(z) = = = 2.5 Phân tích tính ổn định hệ thống rời rạc phản hồi âm đơn vị Theo tiêu chuẩn Jury 18 ∆(z) = ∆(1) = 0.12 > (thỏa) ∆(-1) = 3.68 > (n =2 chẵn) Row 0.9 -1.78 | | < || (0.9) <  Hệ Ổn Định 2.6 Phân tích chất lượng điều khiển hệ thống rời rạc phản hồi âm đơn vị Phương trình đặc tính: ∆(z) = = 19 = 0.89 ± j0.328 = r = 0.95 0.353 = = 0.144 = = 3.567 Độ vọt lố (overshoot): POT : (%) = 63.3% Thời gian xác lập (setting time): theo tiêu chuẩn 2% Thời gian lên (rise time): = =0.486(s) Thời gian đạt đỉnh (peak time): 2.7 Thiết kế điều khiển nhằm ổn định nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống �Thiết kế điều khiển hồi tiếp trạng thái với độ vọt lố nhỏ 5% thời gian xác lập (theo tiêu chuẩn 2%) nhỏ 1s Độ Vọt Lố (overshoot): (%) = 5%  = ln(0.05)  = - 2.996  = 20  = 8.976  = 0.476  = 0.69 (thỏa điều kiện: < < 1) Thời Gian Xác Lập ( Setting Time): (theo tiêu chuẩn 2%) = = Thay = 0.69 vào  =1  = 5.797 (rad/s) Cực Mong Muốn =r r = = = 0.67 = = 0.42 =r=  =  = Phương Trình Đặc Tính Mong Muốn ∆(z) = = ∆(z) = ∆(z) = Hàm Truyền: T(z) = � Y(z) y(k+2) – 1.78y(k+1) + 0.9y(k) = 0.021u(k+1) + 0.02u(k) 21 Đặt:     Từ (2) (3) ta có: = 0.021u(k+1) + 0.02u(k) Ta có hệ phương trình sau: � Phương trình trạng thái: F= G= C= D=0 Xác định tính điều khiển được: Để hệ điều khiển �Rank(C) = n Với C = [G FG] , n bậc hệ thống FG = FG = 22 �C = Del(C ) = -1.7541 x 10-3 �Rank(C ) = = n Vậy hệ thống điều khiển Xác định tính quan xác Để hệ quan sát �Rank(O) = n O = , n bậc hệ thống CF = �O= � Rank(O) = = n Vậy hệ thống quan sát Phương trình đặc tính Del(Iz – F + GK) = Iz – F = GK = Iz – F + GK = + Iz – F + GK = � del(Iz – F + GK) = (.( ( = = z2+(-1.78+0.06K2 +0.021K1)z+0.02262K1-0.0189K2+0.9=0 23 Từ (1) (4), suy ra:  Luật điều khiển: u(k) = -kx(k) u(k) = 9.5 12.67 2.8 So sánh kết với Matlab G(s)= G(s)= Phương trình đặc tính: 1+G(s)*H(s)=1+ = =0 24 Với T = 0.1 Hàm truyền hệ thống: T(z) = T(z) = 25 Phương trình đặc tính: ∆(z) = = = 0.89 ± j0.328 � 26 2.9 So sánh tính ổn định chất lượng điều khiển hệ thống trước sau áp dụng điều khiển Trước áp dụng điều khiển: Độ vọt lố (overshoot): POT : (%)= 63.3% Thời gian xác lập (setting time): theo tiêu chuẩn 2% Thời gian lên (rise time): =0.486(s) Thời gian đạt đỉnh (peak time): Sau áp dụng điều khiển: Độ vọt lố (overshoot): POT : (%)= 5% Thời gian xác lập (setting time): theo tiêu chuẩn 2% Thời gian lên (rise time): = =0.555(s) Thời gian đạt đỉnh (peak time): 2.10 Simulink Con lắc đơn: 27 28 PHỤ LỤC Full Code: clear all clc %Thong so ham truyen lac don g = 9.81; m = 0.16; l = 1.2; B = 0.3; %Thanh lap ham truyen lac don mien lien tuc tuso=[0 1]; mauso=[m*(l^2) B m*g*l]; gs=tf(tuso,mauso) ds=feedback(gs,1) %Ve quy dao nghiem so mien lien tuc subplot(3,2,1) rlocus(ds) title('Quy dao nghiem so mien lien tuc') %Chuyen doi ham gs sang mien roi rac Ts=0.1; gz=c2d(gs,Ts,'ZOH') tz=feedback(gz,1) %Ve quy dao nghiem so mien roi rac subplot(3,2,2) rlocus(tz) title('Quy dao nghiem so mien roi rac') %Xac dinh cac ma tran trang thai A=[0 1; -0.9 1.78]; B=[0.021; 0.06]; C=[1 0]; D=0; %Thanh lap ma tran khong gian trang thai sys=ss(A,B,C,D,Ts) %Xac dinh cuc cua ham truyen E=eig(A) %Cuc mong muon P=[0.61+0.27i 0.61-0.27i] %Tim k su dung phuong phap dat cuc K=place(A,B,P) %Ma tran ngo vao mong muon Acl=A-B*K 29 %Kiem tra cuc mong muon Ecl=eig(Acl) %Kiem tra ma tran dieu khien mtdk=ctrb(sys) rank(mtdk) %Thanh lap ma tran khong gian trang thai mong muon syscl=ss(Acl,B,C,D,Ts) %Kiem tra dap ung ham buoc subplot(3,2,3) step(sys) grid on title('Dap ung ham buoc') %Kiem tra dap ung ham buoc sau thiet ke bo dieu khien subplot(3,2,4) step(syscl) grid on title('Dap ung ham buoc sau thiet ke bo dieu khien') %Tim he so khuech dai Kdc=dcgain(syscl) Kr=1/Kdc %Thanh lap ma tran khong gian trang thai mong muon voi ngo vao khuech dai syscl_scaled=ss(Acl,B*Kr,C,D,Ts) %Kiem tra dap ung ham buoc sau khuech dai ngo vao subplot(3,2,5) step(syscl_scaled) grid on title('Dap ung ham buoc sau khuech dai') %Ham truyen mong muon tzcl=tf(syscl_scaled) %Ve quy dao nghiem so sau hieu chinh subplot(3,2,6) rlocus(tzcl) title('Quy dao nghiem so sau hieu chinh') 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài Liệu Tiếng Việt: [1] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động, Tái lần 4, Nhà Xuất Bản Đại học quốc gia TP HCM, 2011 [2] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển thông thường đại: Hệ xung số, Tái lần 3, Nhà Xuất Bản Khoa học Kỹ thuật, 2009 Tài Liệu Tiếng Anh: [1] M Gopal, Digital Control and State Variable Methods, 3e, McGraw-Hill, 2011 [2] Kannan Moudgalya, Digital Control, 1e, Wiley, 2007 31 ... sử dụng, cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn Nguyên tắc 5: Nguên tắc khẩn cấp Đối với hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ • sung cho trung tâm Cấu trúc phân... thuật, 2009 Tài Liệu Tiếng Anh: [1] M Gopal, Digital Control and State Variable Methods, 3e, McGraw-Hill, 2011 [2] Kannan Moudgalya, Digital Control, 1e, Wiley, 2007 31 ... nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham