Xây dựng mơ hình khảo sát PID động cơ trên Simulink

a) Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Ki=0, Kd=0, và thay đổi Kp Tiến hành khảo sát ta thu được các đồ thị sau

Hình 6.16: Đáp ứng bộ điều khiển PID động cơ khi thay đổi Ki Bảng 6-1: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Kp Bảng 6-1: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Kp

Kp 0.5 1 2 4 5 10

POT (%) 0 0 0 0 0 4

Ess (Deg/s) 60.6 27.5 7 -5.6 -6.3 0

Tr(s) 1.9 1.3 1.14 1.1 1.09 1.03

Txl(s) 2.88 1.88 1.54 1.48 1.43 1.6

Nhận xét: Khi tăng Kp thì sẽ làm giảm sai số xác lập nhưng lại làm tăng độ vọt lố.

Hình 6.19: Đáp ứng bộ điều khiển PID động cơ khi thay đổi Ki Bảng 6-2: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Ki Bảng 6-2: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Ki

Ki 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2

POT (%) 0 9,3 10.85 18.7 26.25 34.4

Ess (Deg/s) 8.5 0,6 0 1.2 0 1.8

Tr(s) 1.122 1.18 1.05 1.051 1.051 1.056

Txl(s) 1.499 40.8 15.6 11.662 2.59 9.34

Nhận xét: Khi tăng Ki thì làm cho hệ thống triệt tiêu sai số xác lập nhưng lại làm tăng độ vọt lố và thời gian xác lập.

Hình 6.22: Đáp ứng bộ điều khiển PID động cơ khi thay đổi Kd Bảng 6-3: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Kd Bảng 6-3: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Kd

Kd 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2

POT (%) 0.0462 0.0466 3.4 0 0 6.85

Ess (Deg/s) -16.5 -14.7 -2.7 0 0 0

Tr(s) 1.364 1.371 1.267 1.676 1.627 1.293

Txl(s) 1.887 1.901 1.749 2.912 4.512 1.828

Nhận xét: Khi tăng KD thì làm cho hệ thống giảm độ vọt lố nhưng lại làm tăng thời.

6.3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID

Yêu cầu:

- Vẽ các đáp ứng của ngõ ra động cơ DC. - Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiển.

- Xác định các thông số POT, Ess, Tr và Tss trên hình vẽ. a) Trường hợp 1

 POT <5%.

 Ess < 1.

 Tr <1.1.

 Tss<1.4.

Lựa chọn các thông số: Kp=60, Ki=0.2, Kd=0.3 ta thu được các biểu đồ

Hình 6.23: Đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=60, Ki=0.2, Kd=0.3

max 208 200 .100% 4% 5% 200 xl xl y y POT y       int 200.4 200 0.4 1 xl setpo xl E  y y     s 102% s xl

T  y hoặc Txl 98%yxl. Ta thấy điểm thấp nhất lọt vào trong đồ thị là

197.598.75%yxl(không phải điểm thời gian xác lập). Vậy điểm còn lại là 204.1 102% yxl

(thõa điểm thời gian xác lập). Vậy thời gian xác lập là 1.2s1.4s

Với yxl 200thì thời gian lên là khoảng thời gian từ (t y20) t t y( 180)

1.08 0.13 0.95( ) 1.1( )

r

Hình 6.24: Sai số của hệ thống với Kp=60, Ki=0.2, Kd=0.3

Hình 6.25: Đáp ứng bộ điều khiển PID với Kp=60, Ki=0.2, Kd=0.3 b) Trường hợp 2 b) Trường hợp 2

 POT = 0%.

 Ess < 0.5.

 Tr < 1.

Lựa chọn các thông số: Kp = 80 , Ki=0.2, Kd=1.1 ta thu được các biểu đồ

Hình 6.26: Đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=80, Ki=0.2, Kd=1.1

max 200 200 .100% 0% 200 xl xl y y POT y      int 200 200 0 0.5 xl setpo xl E  y y     s 102% s xl

T  y hoặc Txl 98%yxl. Ta thấy điểm cao nhất lọt vào trong đồ thị là

200 100% yxl(không phải điểm thời gian xác lập). Vậy điểm còn lại là 19698%yxl(thõa điểm thời gian xác lập). Vậy thời gian xác lập là 1.3s2s

Với yxl 200thì thời gian lên là khoảng thời gian từ (t y20) t t y( 180)

1.2 0.2 1( ) 2( )

r

t    s  s

Như vậy chất lượng điều khiển đáp ứng tiêu chí ban đầu

Hình 6.28: Đáp ứng bộ điều khiển PID với Kp=80, Ki=0.2, Kd=1.1  Nhận xét:  Nhận xét:

Việc tìm thơng số PID dựa vào các chất lượng cho trước sẽ tốn nhiều thời gian và số lần thử để tìm ra thơng số phù hợp, Vì thế muốn có được thơng số PID mong muốn cần phải tìm hiểu và nắng bắt được xu hướng của hệ khi thay đổi các thông số Kp Ki Kd.

6.4 CÂU HỎI MỞ

Trình bày ảnh hưởng của của các thông số bộ điều khiển PID lên các chất lượng của hệ thống (POT, Ess, Tr, Tss).

- Khâu P: Khi tăng KP thì sẽ làm giảm sai số xác lập nhưng lại làm tăng độ vọt lố. - Khâu I: Khi tăng KI thì làm cho hệ thống triệt tiêu sai số xác lập nhưng lại làm tăng

độ vọt lố và thời gian xác lập.

- Khâu D: Khi tăng KD thì làm cho hệ thống giảm độ vọt lố nhưng lại làm tăng thời gian xác lập

Chương 7. KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ DC

7.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Bài thínghiệm tập trung vào tìm hiểu việc thiết kế bộ điều khiển mờ cho đối tượng là mơ hình động cơ một chiều. Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số độ lợi tiền xử lý và hậu xử lý trong bộ điều khiển mờ lên các chỉ tiêu chất lượng điều khiển như độ vọt lố, thời gian lên, sai số xác lập, và thời gian xác lập

7.2 YÊU CẦU CHUẨN BỊ

7.2.1 Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy PD cho mơ hình động cơ DC

Mơ hình thí nghiệm bao gồm động cơ DC có tích hợp encoder, mạch cơng suất L298, và board điều khiển Arduino Mega. Chương trình điều khiển được thiết kế trên MATLAB

Simulink. Sau đó chương trình này được nhúng xuống board Arduino Mega thơng qua chế độ External mode. Chế độ này cho phép người sử dụng có thể giám sát các thơng số của cảm biến và điều chỉnh các thông số bộ điều khiển theo thời gian thực. Sơ đồ khối của mơ hình thí nghiệm được miêu tả Hình 7.1

Hình 7.2: Sơ đồ bộ điều khiển mờ Xây dựng mơ hình mơ phỏng Xây dựng mơ hình mơ phỏng

Hình 7.3: Xây dựng bộ điều khiển PID mờ cho hệ thống Hàm mờ ngõ vào và ra đã chuẩn hóa từ -1 tới 1 Hàm mờ ngõ vào và ra đã chuẩn hóa từ -1 tới 1

Bảng 7-1: Hệ các quy tắc mờ của bộ điều khiển mờ U(t) DE(t) U(t) DE(t) NB NS Z PS PB E(t) NB NB NB NS NS Z NS NB NS NS Z PS Z NS NS Z PS PS PS NS Z PS PS PB PB Z PS PS PB PB

Các tập mờ của từng ngõ vào gồm có: NB (Negative Big), NS (Negative Small), Z (Zero), PS (Positive Small), PB (Positive Big). Các hàm liên thuộc của các tập mờ ngõ vào sai số, các tập mờ ngõ vào tốc độ thay đổi của sai số, và các tập mờ ngõ ra được trình bày lần lượt ở các hình Sử dụng phương pháp mờ hóa và suy diễn mờ là MAX-MIN, phương pháp giải mờ là tính tốn trọng tâm. Hệ quy tắc mờ được tóm tắt và trình bày ở Bảng 7-1

7.3 YÊU CẦU THỰC HIỆN

7.3.1 Khảo sát đáp ứng của bộ điều khiển mờ bằng việc thay đổi K1, cho K2=0, và Ku=12 Ku=12

a) Vẽ đáp ứng ngõ ra của hệ thông ứng với các thông số điều khiển khác nhau trên cùng đồ thị.

b) Vẽ đáp ứng tín hiệu điều khiển ứng với các thơng số điều khiển khác nhau trên cùng một đồ thị.

c) Xác định các thông số POT, Tr, Tss và Ess của các đáp ứng ngõ ra ứng với các thông số bộ điều khiển khác nhau.

Hình 7.8: Xây dựng khối PID mờ điều khiển động cơ với K2=0, Ku=12, K1 thay đổi Code Matlab Code Matlab clc; figure(); plot(k11.time,k11.signals(1).values); hold on; plot(k12.time,k12.signals(1).values); hold on; plot(k13.time,k13.signals(1).values);

xlabel('Time(s)');

ylabel('Goc quay dong co (Deg)');

Hình 7.9: Biểu đồ đáp ứng ngõ ra với các giá trị K1 thay đổi

Hình 7.11: Biểu đồ đáp ứng tín hiệu điều khiển với các giá trị K1 thay đổi Bảng 7-2: Thông số thu được khi thay đổi thông số K1 Bảng 7-2: Thông số thu được khi thay đổi thông số K1

K1 1/300 1/200 1/100 1/50 POT(%) 0 0 0 18.12 s s e (Deg/s) 23.23 9.11 8.45 4.91 r T (s) 0.153 0.112 0.101 0.089 xl T (s) 0.287 0.222 0.201 0.267

7.3.2 Khảo sát đáp ứng của bộ điều khiển mờ bằng việc thay đổi K2, cho K1=1/20, và Ku=12

Hình 7.12: Xây dựng khối PID mờ điều khiển động cơ với K2=1/20, Ku=12, K2 thay đổi Code Matlab clc; figure(); plot(k21.time,k21.signals(1).values); hold on; plot(k22.time,k22.signals(1).values); hold on; plot(k23.time,k23.signals(1).values); hold on; plot(k24.time,k24.signals(1).values); hold on; plot(setpoint.time,setpoint.signals(1).values); grid on; xlabel('Time(s)');

Bảng 7-3: Thông số thu được khi thay đổi thông số K2 K1 1/500 1/4000 1/2000 1/1000 K1 1/500 1/4000 1/2000 1/1000 POT(%) 13.92 9.51 7.37 0 s s e (Deg/s) 2.68 0 0 0 r T (s) 0.115 0.121 0.115 0.129 xl T (s) 0.485 0.500 0.309 0.306

7.3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ với các thông số POT, Tr, Tss và Ess thỏa các điều kiện sau: POT<10%, Tr<1.5, Tss<2, Ess<1

Yêu cầu

- Vẽ các đáp ứng của ngõ ra động cơ DC. - Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiển.

- Xác định các thông số POT, Ess, Tr và Tss trên hình vẽ.

 POT <10%.

 Tr < 1.5

 Tss <2.

 Ess<1.

Lựa chọn các thông số: K1=1/20, K2=1/1500, Ku=255 ta thu được các biểu đồ

max 108 100.8 .100% 7.2% 10% 100 xl xl y y POT y       int 100 100.8 0.8 1 xl setpo xl E  y y      s 102% s xl

T  y hoặc Txl 98%yxl. Ta thấy điểm cao nhất lọt vào trong đồ thị là

108 107.14% yxl(khơng phải điểm thời gian xác lập). Vậy điểm cịn lại là 98.898%yxl

(thõa điểm thời gian xác lập). Vậy thời gian xác lập là 0.18s2s

Với yxl 100.8thì thời gian lên là khoảng thời gian từ (t y1.08) t t y( 90.72)

0.16 0.02 0.14( ) 1.5( )

r

t    s  s

Như vậy chất lượng điều khiển đáp ứng tiêu chí ban đầu

7.4 CÂU HỎI MỞ

1) Từ kết quả thí nghiệm sinh viên hãy trình bày ý nghĩa của các thơng số K1, K2 và Ku trong bộ điều khiển mờ

Với Ku = constant = 255 thì khi a) K1 càng tăng dẫn đến

- POT (%) tăng

- Ess (Deg/s) giảm dần và sau đó có xu hướng tăng lên 1 ít - Tr (s) giảm dần

- Txl (s) giảm dần và sau đó có xu hướng tăng lên b) K2 càng tăng thì

- POT (%) giảm dần

- Ess (Deg/s) giảm dần và sau đó có xu hướng tăng lên - Tr (s) giảm rồi tăng

- Txl (s) giảm dần

2) Đề xuất bộ điều khiển fuzzy PID cho đối tượng động cơ DC

“Speed Control of DC Motor Using Fuzzy PID Controller” Advance in Electronic and Electric Engineering.

Chương 8. KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG BỒN NƯỚC ĐƠN

8.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Bài thí nghiệm tập trung vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong mơ hình thí nghiệm bồn nước đơn; Thiết lập các chương trình điều khiển vịng hở khơng quan sát, có quan sát và hồi tiếp âm; Tìm hiểu chương trình nhúng giải thuật điều khiển PID cho mơ hình bồn nước đơn; Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số bộ điều khiển PID lên chất lượng điều khiển của hệ thống.

8.2 KIẾN THỨC CƠ BẢN

8.2.1 Trình bày nguyên lý hoạch động của cảm biến.

Hình 8.1: Cảm biến siêu âm HC-SR04

Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì rẻ và chính xác. Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình.

Các chân kết nối gồm có:

Bảng 8-1: Sơ đồ chân HC-SR04

Vcc 5V

Trig Một chân Digital Output

Echo Một chân Digital Input

GND GND

Nguyên lý hoạt động

Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds - us) từ chân Trig. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại.

Tốc độ của âm thanh trong khơng khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106/ (340*100)). Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để nhận được khoảng cách

8.2.2 Trình bày nguyên lý điều khiển của bơm nước một chiều.

Hình 8.2: Bơm 385

Để điều khiển bơm ta có nhiều cách, tuy nhiên trong phần thí nghiệm dựa vào kit xử lý Arduino chúng ta sẽ sử dụng phương pháp điều khiển PWM

Phương pháp PWM là phương pháp dùng để điều chỉnh điện áp ra tải dựa trên sự thay đổi độ rộng và chuỗi xung vuông. Khiến điện áp thay đổi. Các PWM khi biến đổi sẽ có chung một tần số chỉ khác về độ rộng của sườn dương hoặc sườn âm.

Nguyên lý điều khiển điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng PWM:

Để có thể điều khiển điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng PWM ta dùng mạch điện tử để thay đổi độ rộng của xung ở ngõ ra mà khiến chúng không bị thay đổi tần số. Khi độ rộng xung thay đổi thì điện áp sẽ thay đổi.

Có thể áp dụng cơng thức: ON out T U U T       (8.1) on

8.2.3 Xây dựng chương trình bộ điều khiển PID trên MATLAB Simulink.

1) Sơ đồ khối và sơ đồ nối dây

Hình 8.3: Sơ đồ tổng quan của hệ bồn nước

Sơ đồ tổng quan bồn nước được mơ tả trong Hình 8.3 Chương trình từ máy tính thơng qu khối điều khiển để điều khiển bơm. Bơm được điều khiển bơm nước lên bể, cảm biến siêu âm đo mực nước trong bể và phản hồi về khối điều khiển để điều chỉnh cơng suất bơm phù hợp.

Hình 8.4: Sơ đồ nối dây mơ hình bồn nước

Trong Hình 8.4 là sơ đồ nối dây của mơ hình bồn nước, trong đó sử dụng vi điều khiển trung tâm là Arduino mega 2560. Mega 2560 sẽ điều khiển mạch công suất L298H để điều khiển máy bơm sau đó nhận tín hiệu phản hồi về từ cảm biến siêu âm. Nguồn tổ ong 12V cấp cho mạch công suất L298N

2) Thư viện cho Module bồn nước Bước 1: Tải file thư viện.

Bước 2: Trong Matlab, di chuyển đến thư mục lưu thư viện vừa tải.

Bước 3: Chuột phải vào thư mục, chọn add to path, chọn Selected Folders and Subfolders.

Hình 8.5: Kiểm tra thư viện 3) Hệ bồn nước trên Simulink 3) Hệ bồn nước trên Simulink

8.3 YÊU CẦU THỰC HIỆN

8.3.1 Xây dựng mơ hình điều khiển PID cho hệ bồn nước

Hình 8.7 miêu tả sơ đồ các khối chức năng trong mơ hình thí nghiệm bồn nước. Hệ bồn nước bao gồm có một vi xử lý trung tâm (Arduino Mega 2560), một mạch công suất (L298N), một bơm nước, một bồn nước đơn, một cảm biến đo mực nước và một nguồn một chiều. Mạch xử lý trung tâm được kết nối với máy tính có cài đặt phần mềm MATLAB Simulink thơng qua cổng USB. Bởi vì chương trình bộ điều khiển PID được thiết kế trên