đồ án lý thuyết điều khiển tự động dùng ngôn ngữ MATLAB

đồ án lý thuyết điều khiển tự động được thể hiện bằng ngôn ngữ matlab.Khảo sát,tính toán và tổng hợp cơ cấu hiệu chỉnh hệ thống ĐCTĐ điện áp phát ra của máy phát một chiều(MPMC) dung động cơ chấp hành trongmạch kích từ.

Đại HỌC BÁCH KHOA HÀ-NỘI VI ỆN ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ***************** ĐỒ ÁN MÔN HỌC: “LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG” ĐỀBÀI:Khảo sát,tính tốn tổng hợp cấu hiệu chỉnh hệ thống ĐCTĐ điện áp phát máy phát chiều(MPMC)dung động chấp hành mạch kíchtừ Sinh viên thực hiện: Dương Văn Huy Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật điện -điện tử Giáoviên hướng dẫn: TS Ngũn Ngọc Bích Ngày hồn thành: NĂM HỌC 2006 – 2008 Mục Lục Trang Lời mở đầu 3-4 Yêu cầu đề 4-5 I Phân tích, khảo sát hệ thống ban đầu dựa vào sơ đồ nguyên lý 5-6 Tìm hiểu, phân tích chức phần tử tự động hệ thống ĐKTĐ thuyết minh nguyên lý làm việc 5-6 Lập sơ đồ khối, sơ đồ hệ thống 6-7 Lập sơ đồ cấu trúc, xác định biểu thức hàm truyền mạch hở hệ ban đầu 7-8 Xây dựng đáp ứng tần số lô-ga hệ ban đầu 8-11 Dùng tiêu chuẩn ổn định Hurwitz khảo sát tính ổn định hệ cho ban đầu 11-12 II Xây dựng đáp ứng biên độ tần số lôga mong muốn Lmm(w) 12 Phần tần số thấp ( 0÷ w1) 13 Phần tần số trung 13-14 Phần tần số cao 14 Khoảng số lien hợp 14 III Chọn phương án hiệu chỉnh tính tốn tham số cấu hiệu chỉnh bảo đảm tiêu trí chất lượngđề 15 Ưu ,nhược điểm phương ánhiệu chỉnh 15 2.Tính tốn, xác định tham số cấu hiệu chỉnh 15-17 IV Phân tích, mơ khảo sát chất lượng hệ thống ĐKTĐ sau hiệu chỉnh 17 Sơ đồ cấu trúc 17 Xây dựng đáp ứng pha tần số lôga φmm(w), matlab 17-18 đ 3 Viết chương trình Matlab có biểu đồ bode so sánh độ dự trữ ổn định xác định mục 18-22 VII Kết luận 22-23 A.Lời mở đầu Các hệ thống điều khiển tự động(HTĐKTĐ) từ đời khẳng định vai trị nhiều lĩnh vực đời sống.Sự phát triển vũ bão cách mạng Khoa học-Kỹ thuật tạo điều kiện cho HTĐKTĐ ngày hoàn thiện đồng thời tạo nhiều HTĐKTĐ khác nhau.Giờ đây,chúng ta cần làm nhiệm vụ kiểm tra,giám sát dễ dàng điều khiển đối tượng với độ xác cao.Nhờ vậy,năng suất chất lượng cơng việc tăng lên gấp nhiều lần để hiểu nắm kiến thức sở xây dựng HTĐKTĐ điều thiếu sinh viên trường kỹ thuật nói chung Khoa Điện- Điện Tử Trường Đại Học Kinh Doanh Công Nghệ nói riêng Sinh viên trường học tập làm quen mơn học thơng qua giáotrình “Lý Thuyết Điều KhiểnTự Động” TS Nguyễn Ngọc Bích Sinh viên làm đồ án môn học thông qua giáotrình Mục đích đồ án nhằm giúp em hệ thống hóa củng cố kiến thức học tập nghiên cứu, nắm phương pháp tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển tự động biết cách sử dụng tài liệu tra cứ, biểu đồ có lien quan Để nắm vững nguyên lý xây dựng hệ thống Điều khiển tự động, chức lý thuyết điều khiển đến phương pháp khác phân tích tổng hợp hệ thống Điều khiển tự động: phương pháp tần số, phương pháp quỹ đạo nghiệm, phương pháp không gian trạng thái, phương pháp mơ phỏng…Tuy nhiên, có nhiều phương pháp khác phương pháp kinh điển phổ biến, mang tính ứng dụng cao nghiên cứu kĩ giảng phương pháp tần số, phương pháp mô (dung rộng rãi công cụ SIMULINK lập trình MATLAB) Vì sử dụng phương pháp để giải toán phân tích tổng hợp hệ thống Điều khiển tự động Trong đồ án em trình bày cách nhận dạng đối tượng hệ thống điều khiển, cách xác định hàm truyền đạt đối tượng từ đáp ứng đầu cho trước, từ xác định đốitượng có ổn định hay khơng theo phương pháp xét tính ổn định hệ thống học Yêu cầu đề bài: Cho hệ thống ĐCTĐ điện áp phát máy phát chiều (hệ ban đầu tức hệ chưa có hiệu chỉnh) dung động chấp hành mạch kích từ có sơ đồ ngun lý dạng đơnMgPiảMnCsau: + (-) • Фkt +◦ Ukt - ◦ U MP Rđc ◦ KT ĐCCH • n=const ĐT Rt ◦- (+) + ◦ ◦ Ukt ◦+ ◦ Ro • • Uo ◦- KĐĐT CB Trênhìnhvẽ: KT – kích từ ; ĐT - đổi tốc ; MPMC – máy phát điện chiều ĐCCH - động chấp hành ; CB - cảm biến điện cảm Giá trị tham số phần tử hệ cho bảng sau: Tênphầntử CB KĐĐT ĐCCH Kýhiệuthamsố KCB KKĐĐT TKĐĐT KĐC TĐC Giátrị,thứnguyên 250 3.2 0.020 0.007 ĐT KĐT=1/i 0.06 MPMC KMP TMP 1.5 0.14 Hãy tiến hành phân tích,khảo sát tổng hợp cấu hiệu chỉnh nối tiếp (hoặc song song phản hồi) để hệ thống ĐKTĐ ổn định có tiêu chất lượng sau: - Sai sốtĩnh U  1% Uđm (điện áp định mức) - Các tiêu trình độ: max< 25 [ %] ;tqđ  1.5 [sec] ; n < 1.5 I Phân tích, khảo sát hệ thống ban đầu dựa vào sơ đồ nguyên lý Tìm hiểu, phân tích chức phần tử tự động hệ thống ĐKTĐ thuyết minh nguyên lý làm việc a Chức phần tử tự động -RĐC chạy biến trở dịch chuyển giá trị điện trở thay đổi theo dẫn tới thay đổi điện áp kích từ ( UKT) làm cho thay đổi từ thơng kích từ фKT -ĐT đổi tốc, thay đổi tốc độ quay trục ĐCCH để dịch chuyển chạy RĐC -ĐCCH làm quay trục ĐT dùng cho dịch chuyển chạy RĐC -MPMC có фKT quay phát điện áp chiều đầu - CB lấy tín hiệu đầu MPMC - điện áp chiều, để thay đổi chí chạy biến trở R0 -R0 chạy biến trở dịch chuyển thay đổi U0 cấp cho ĐCCH b Nguyên lý làm việc hệ thống Khi tải thay đổi ( Rt thay đổi ), khiến UMP bị thay đổi Yêu cầu giữ cho UMP không đổi UMP điều chỉnh thay đổi thay đổi từ thơng kích từ ф KT Theo nguyên lý hoạt động sau: Điện áp phát từ MPMC ( UMP) lấy phản hồi cấp cho cảm biến (CB) hút lõi sắt từ bên trong, qua cấu tay đòn dịch chuyển chạy điện trở R0 làm thay đổi U0 phần điện áp cấp cho phần ứng ĐCCH Làm ĐCCH quay kéo trục ĐT quay để thay đổi chạy biến trở RĐC Khiến IKT bị thay đổi dẫn tới фKT thay đổi theo làm tốc quay MPMC thay đổi => điện áp phát thay đổi UMP -Giả sử tải giảm, UMP tăng CB hút lõi sắt từ xuống nhiều làm chạy R0 lên trên, U0 vào ĐCCH tăng lên ĐCCH quay nhanh qua ĐT kéo chạy RĐC bên trái, giá trị điện trở biến trở điều chỉnh làm IKT giảm xuống, фKT giảm, UMP giảm Như điện áp phát MPMC ( UMP) điều chỉnh tự động qua hệ thống điều khiểu tự động vịng kín Lập sơ đồ khối, sơ đồ hệ thống a Sơ đồ khối Là sơ đồ trình bày phần tử, cấu hệ thống hệ dạng vng ghi tên phàn tử, cấu mối quan hệ phần tử dạng mũi tên chiều truyền tín hiệu hệ thống Cho phép hình dung khái nguyên lý làm việc kết cấu hệ thống điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mạch kín: b Sơ đồ chức Là dạng khác sơ đồ khối, cấu tạo từ ô vuông sơ đồ khối, ta ghi chức mà phần tử thực mạch Lập sơ đồ cấu trúc, xác định biểu thức hàm truyền mạch hở hệ ban đầu a Sơ đồ cấu trúc Được thành lập sở sơ đồ khối hay sơ đồ chức hệ thống ĐKTĐ, phần tử hệ biểu diễn khâu động học định hướng, vng ghi hàm truyền đặc trưng cho trình động học xảy phần tử -Sơ đồ cấu trúc hệ thống mạch kín U0 3,2 (0,020𝑠 + 1)𝑠 ánhánhánh 0,06 - • • Biểu thức hàm truyền hệ điều khiển hở: Wbđ(s)= 𝑲Đ𝑪.𝑲Đ𝑻.𝑲𝑲ĐĐ𝑻.𝑲𝑴𝑷 𝑺(𝑻Đ𝑪.𝑺+𝟏)(𝑻𝑲𝑫Đ𝑻.𝑺+𝟏)(𝑻𝑴𝑷.𝑺+𝟏) 250 0,007𝑠 + UMP 1,5 0,14𝑠 + = 𝟕𝟐 𝑺(𝟎,𝟎𝟐𝟎.𝑺+𝟏)(𝟎,𝟎𝟎𝟕.𝑺+𝟏)(𝟎,𝟏𝟒.𝑺+𝟏) = 𝑵(𝑺) 𝑫(𝑺) • Hàm truyền hệ điều khiển kín: Φbđ(s)= 𝑊𝑏đ (𝑠) 1+𝑊𝑏đ (𝑠) = 𝟕𝟐 𝑺(𝟎,𝟎𝟐𝟎.𝑺+𝟏)(𝟎,𝟎𝟎𝟕.𝑺+𝟏)(𝟎,𝟏𝟒.𝑺+𝟏) 𝟕𝟐 𝟏+ 𝑺(𝟎,𝟎𝟐𝟎.𝑺+𝟏)(𝟎,𝟎𝟎𝟕.𝑺+𝟏)(𝟎,𝟏𝟒.𝑺+𝟏) • Hàm truyền theo sai số: ΦΔbđ(s)= 1+𝑊𝑏đ (𝑠) = 𝟏+ 𝟕𝟐 𝑺(𝟎,𝟎𝟐𝟎.𝑺+𝟏)(𝟎,𝟎𝟎𝟕.𝑺+𝟏)(𝟎,𝟏𝟒.𝑺+𝟏) Xây dựng đáp ứng tần số lô-ga hệ ban đầu Trong nhiều trường hợp, để thuận lợi khảo sát, tính tốn hệ thống ĐKTĐ Ta chuyển đồ thị đáp ứng biên độ tần sốvà pha tần số sang tỷ lệ logarit ta nhận đáp ứng tần số logarit hệ thống ĐKTĐ Các đặc tính tần số looga tảng phương pháp tần số lơga để khảo sát tính toán hệ thống ĐKTĐ a Hệ toạ độ để xây dựng đáp ứng tần số lô-ga Đường đồ thị vẽ giấy tỷ lệ lơga đặc tính gần hay đặc tính tiệm cận, gồm nhiều đường thẳng nhiều đoạn thẳng có động hiêng khác Đây đường giới hạn củ acác đoạn đặc tính xác, xây dựng dựa vào biểu thức tốn học Việc xây dựng đáp ứng tần số lơga tiến hành giấy có tỷ lệ chia lơga Trên giấy ta lập hệ toạ độ để xây dựng đáp ứng L(w) phía đáp ứng φ(w) Trục hoành hệ toạ độ chia theo tỷ lệ lôga Trục tung chia theo tỷ lệ thập phân b Xây dựng đáp ứng Lbđ(ω), φbđ(ω) *Xác định tần số gập w1 = w2 = w3= 𝑻𝑴𝑷 𝑻Đ𝑪 1 = = 𝑻𝑲𝑫Đ𝑻 0,14 0,020 = = 7,1 [1/S] = 50 [1/S] = 142,8[1/S] 0,007 Do TMP >TĐC>TKĐĐT nên w1 n2=0.04*220; >> d2=[0.007 1]; >> n3=1,5; >> d3=[0.14 1]; >> n4=conv([0.15 1],[0.96 1]); >> d4=conv([0.54 1],[0.08 1]); >> [N1,D1]=series(n1,d1,n2,d2); >> [N2,D2]=series(n3,d3,n4,d4); >> [N3,D3]=series(N1,D1,N2,D2); >> n5=1; >> d5=1; >> [N,D]=feedback(N3,D3,n5,d5); >> w=tf(N,D) >> bode(w) >>grid on 20 HÌNH 2A:Xây dựng đáp ứng tần số lôga (biểu đồ Bode) hệ điều khiển hở sau hiệu chỉnh -Nhờ vào phần mềm matlap ta thấy có thơng báo”closed loop stable”Yes nghĩa hệ thống cho ổn định -Độ dự trữ biên độ Logarit L =15dB - Độ dự trữ phaφ =50,1 -Hệ thống sau hiệu chỉnh đạt đươc tiêu chất lượng đặt cách tương đối.V ì toán giải theo yêu cầu đề SIMULINK Là công cụ mạnh Matlab để xây dựng mơ hình cách trực quan dễ hiểu Để mô tả hay xây dựng hệ thống ta cần lien kết khối có sẵn thư viện SIMULINK lại với Sau đó, tiến hành mơ hệ thống để xem xét ảnh hưởng điều khiển đến đáp ứng độ hệ thống đánh giá chất lượng hệt hống 21 4.Dùng công cụ SIMULINK MATLAB dựa vào sơ đồ cấu trúc hệ sau hiệu chỉnh (nhận mục 1) để lập sơ đồ mô hệ thống SIMULINK Mô hệ thống ĐKTĐ dung công cụ Simulinkchạy môi trường Matlabbản 2013b Để mô hệ thống ta thực hiệntheo bước sau: *Khởi động Matlab, mở công cụ mô Simulink New - Simulink model - mở thư viện mô phỏng: Library Browser *Lấy khối dung để mơ phỏng: -Tạo khối tín hiệu vào Sources, lấy khối Step -Khối thực phép toán Math, chọn khối tổng Sumvà khối khuếch đại Gain -Khối hiển thị quan sát Sinks lấy Scope -Tạo phần tử lien tục Continous, lấy Transfer Fcn Thành lập để mô hệ thống theo sơ đồ sau đây: Khi nối khối 3.2 0,020𝑠 + 250 0,007𝑠 + 1.5 0,14𝑠 + 0,15𝑠 + 0,54𝑠 + 0,96𝑠 + 0,08𝑠 + Step *Tuyến tính hố tín hiệu đầu ra, vào: chọn đường nối đầu tín hiệu vào tín hiệu chọn Nhấn chuột phải chọnLinear Analysis chọn Input Point, Output Point *Chạy mô phỏng: Analysis – Control Design – Linear analysis tool - mục Plot Result chọn New Step để vẽ đáp ứng độ Ta hình sau: Đáp ứng độ h(t): 22 Quan sát đặc tính độ ta thấy: - Số lần daođộng n