CHƯƠNG 3– ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
3.2.3. Sơ đồ cấu trúc Matlab của van điều khiển áp suất dầu bôi trơn:
Hình 3.10 Sơ đồ cấu Matlab điều khiển áp suất hệ thống dầu bơi trơn Trong đó các khối chức năng có nhiệm vụ cụ thể như sau:
- Khối Step: Đây chính là tín hiệu áp suất ban đầu cần cái đặt. Giá trị áp suất cần ổn định là 1.5 bar. Cửa sổ khai báo tham số của khâu bước nhảy như ở cửa sổ dưới đây:
64
Trong đó:
Step time: bước thời gian - ở đây ta chọn là 0
Intial value: giá trị áp suất ban đầu - ở đây ta chọn là 1,5 Final value: Thời gian lấy mẫu – ta cũng chọn là 0
- Lookup table1: Do việc điều chỉnh đóng mở các van bằng tín hiệu dịng điện biến đổi qua tín hiệu áp suất nên ở đây ta thực hiện một sự chuyển đổi từ áp suất sang dòng điện. Khối lookup table1 dùng để khai báo đặc tính giữa dịng điện điều khiển với áp suất của van (hình 3.8).
65
Trong đó:
Các giá trị khai báo ngõ vào (Vector of input values): 0 0,001 6 20 Các giá trị khai báo ngõ ra (Vector of output values): 0 4 20 20
- Khối SUM: đây là khối dùng để tổng hợp giữa tín hiệu dịng điện cài đặt với tín hiệu dịng điện phản hồi. Tín hiệu dịng cài đặt lấy dấu cộng và tín hiệu phản hồi lấy dấu trừ.
- PID controller: đây thực chất là một khâu điều khiển quan trọng trong bộ điều khiển áp suất. Khâu này có sơ đồ cấu trúc như hình 3.11.
Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc khâu PID controller
Các tham số Kp, KI và Kd của khối được xác định theo phương pháp tối ưu.
- Lookup Table4: dùng để mô phỏng % độ mở của van với áp suất ngõ ra theo đồ thị hình 3.6. Việc mơ phỏng này được khai báo như cửa sổ dưới đây:
66
- Transfer Fcn và Transfer Fcn1 là hai hàm truyền của bộ điều khiển áp suất. Ở đây chúng ta thấy có hai khâu bậc nhất nhưng thực chất đó chính là một khâu bậc hai mà giá trị đã được tính tốn ở phần 3.2.2.2 và được khai báo như cửa sổ dưới đây:
Cửa sổ khai báo giá trị k, T1, T2 của khâu quán tính bậc 2
- Lookup Table2: như đã nói ở khối SUM, việc đưa tín hiệu phản hồi về bằng áp suất sẽ gặp nhiều khó khăn bởi hai tín hiệu khơng tương đồng nhau về cùng một loại dơn vị. Vì thế cần có một khối chức năng làm nhiệm biến tín hiệu áp suất thành tín hiệu nhiệt độ. Cửa sổ khai báo này được trình bày như ở lookup table1.
67
- Scope: đây thực sự chỉ là một cửa sổ nhằm giúp cho chúng ta thấy được đặc tuyến đầu ra sau khi đưa tín hiệu áp suất ở đầu vào. Thực chất là giúp chúng ta thấy được đồ thị đáp ứng của áp suất ngõ ra so với ngõ vào. Hình 3.14 cho ta thấy được đường ổn định của áp suất sau khoảng thời gian là 2,5 giây. Đây cũng chính là đường đặc tuyến mà ta cần tìm hay nói một cách khác việc điều khiển ổn định áp suất của hệ thống dầu bơi trơn chính là việc đi tìm đồ thị này. Sai số áp suất đầu ra so với giá trị cài đặt là (1,503-1,5)/1,5 = 0,0033 = 0,33%. Đây là một sai số hồn tồn có thể chấp nhận được.
- Actuator constraint: khối chức năng này dùng để tối ưu hố việc tính tốn nhằm tìm ra các thơng số Kp, KI và Kd nhưmong muốn. Ngoài ra khối này cịn giúp chúng ta có được đường đáp ứng của áp suất đầu ra gần giống với đồ thị hiển thị áp suất ở trên cửa sổ scope. Khối này theo Matlab cịn có thể được gọi là “Simulink Respone Optimization” có nghĩa là tối ưu hóa đáp ứng việc miêu tả bằng phần mềm simulink nhằm nhanh chóng tìm ra các thơng số Kp, KI và Kd.Khối này được miêu tả như ở cửa sổ dưới đây:
Simulink Respone Optimization (SRO) được dùng để giúp đỡ một giao diện đồ họa nhằm hỗ trợ tính tốn tối ưu hóa đáp ứng hín hiệu theo thời gian. Với tiện ích này chúng ta có thể điều chỉnh một mơ hình Simulink phi tuyến nhằm đạt được các yêu cầu về thời gian bằng việc đáp ứng tín hiệu theo dạng
68
cưỡng ép ban đầu. Các biến của simulink bao gồm các biến vô hướng, các véc tơ và các ma trận có thể được khai báo bằng cách nhập các tên biến vào các hộp thoại thích hợp.
Để sử dụng SRO, ta nối khối Simulink Constraint đến bất kỳ tín hiệu nào trong mơ hình để xác nhận rằng ta muốn đặt một vài dạng của sự ép buộc ban đầu trong SRO. SRO sẽ tự động chuyển đổi các cưỡng bức thời gian thành bài toán tối ưu và giải quyết bài tốn bằng cơng cụ tối ưu lấy từ “Optimization Toolbox” của Simulink.
Bài tốn tối ưu được đưa thành một cơng thức tối ưu bằng sự tính tốn lặp đi lặp lại của SRO cần thiết cho việc mô phỏng của Matlab. So sánh các kết qủa của qúa trình mơ phỏng với đối tượng tham chiếu và sử dụng phương pháp gradient để điều chỉnh các tham số và tìm ra tham số tối ưu nhất cho đối tượng điều khiển của hệ thống.
Việc tối ưu hố này có thể cho ta các giá trị lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị mà ta mong muốn nhưng sự sai số thì khơng nhiều và khả năng đáp ứng cũng rất tốt.
Để dùng cửa sổ “Actuator constraint” trước tiên ta phải lấy khối này từ phần mềm Simulink trong “Simulink Respone Optimization” sau đó gắn vào mơ hình Matlab điều khiển tự động cần nghiên cứu
Click đúp vào mơ hình “Actuator constraint” hiện ra cửa sổ ở trên sau đó ta tiếp tục click vào “Edit” để hiện ra cửa sổ dưới đây rồi chọn “Axes properties”, khi đó xuất hiện cửa sổ:
69
Ở cửa sổ này ta click vào “Limits” khi đó xuất hiện X-Limits tương ứng với trục hoành biểu diễn thời gian. Ta có thể chọn các giá trị khác nhau, tuy nhiên trong phần này giá trị được chọn là từ 0 đến 10. Ở Y-Limits tức là trục tung tương ứng biểu diển giá trị áp suất. Cũng giống như X-Limits, ta có thể chọn các giá trị khác nhau Tuy nhiên ở đây ta chọn giá trị là từ -0,2 đến 1,6. Sau đó ta đóng lại.
Bước tiếp theo ta click vào ô “Optimization”, rồi click tiếp vào ơ “Tuned Parameters”, khi đó xuất hiện cửa sổ khai báo tham số:
70
Lúc này ta click vào “Add” sẽ xuất hiện cửa sổ:
Ở cửa sổ này ta thấy có các hệ số của khâu vi tích phân tỷ lệ. Ta copy các hệ số này sang cửa sổ trên rồi nhấn vào “OK”. Khi đó ta đã có được các giá trị khai báo như cửa sổ dưới đây:
71
Tiếp theo ta nhấn vào nút “OK”.
Ở màn hình “Block Parameter” ta điều chỉnh các thanh ở bệ trong sao cho phù hợp. Sau đó ta nhấn vào ơ chạy và có được đồ thị dưới đây:
Hình 3.12 Đồ thị tối ưu hóa áp suất
Từ đồ thị tối ưu hóa ta nhận thấy khả năng đáp ứng là tương đối nhanh (khoảng 2,5 giây). Khi có được kết qủa này ta thu được một bảng tối ưu các giá trị KI, Kp và Kd sau đây:
72
- Scope 1 (Out1): Sau khi chạy chương trình ta thu được một đồ thị hiển thị ở hình 3.13.
73
Đường đặc tuyến này đáp ứng được áp suất đầu ra như ta thiết kế với độ chính xác rất cao là 1,505 bar. Giá trị áp suất này chúng ta thấy được ở ngay trên hình 3.14 với việc hiển thị số ở display3.
Như vậy qua việc mô phỏng áp suất bằng phần mềm Simulink Matlab ta nhận thấy thời gian đáp ứng rất nhanh (khoảng 2,5 giây), sự dao động không đáng kể. Việc thay đổi các thông số áp suất đầu vào bất kỳ (cài đặt) thì giá trị áp suất đầu ra cũng đáp ứng được.
Với phương pháp nghiên cứu dựa trên lý thuyết điều khiển tuyến tính ta đã đưa ra được phương pháp nghiên cứu một hệ thống trong thực tế và đưa ra những thơng số có thể áp dụng trực tiếp vào hệ thống nhằm cải tạo hệ thống thực tế một cách nhanh chóng và có độ tin cậy cao.