Đang tải... (xem toàn văn)
I, Hàm truyên đạt ,đặc tinh động học của hệ thống1, Hàm truyền đạt Hàm truyền đạt của hệ thống là tỷ số của tín hiệu ra với tín hiệu vào của hệ thống đó.Biểu diễn theo biến đổi laplace với điều kiện đầu vào bằng 0Dạng tổng quát của hàm truyền đạt W(s)= Trong đó Thông thường m≤n Khi :B(s)=0 ta có các điểm zeroKhi :A(s)=0 ta có các điểm cực ,các nghiệm này sẽ quyết định trực tiếp tới tính chất của hệ (A(s)=0 gọi là phương trình đặc trưng của hề thống )
Đồ án lý thuyết điều khiển tự động LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước hiện nay, Tự Động Hóa có mặt ngày càng nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp và trong đời sống hàng ngày. Trong công nghiệp, Tự Động Hóa làm tăng năng xuất, chất lượng sản phẩm với thời gian ngắn nhất mà lại tốn ít nhân công. Trong đời sống, nó làm cho cuộc sống của con người tiện nghi hơn. Để các dây truyền Tự Động Hóa hoạt động ổn định, hiều quả, chúng ta cần xác định các thông số, các chỉ tiêu chất lượng, thiết kế cấu trúc hệ thống một cách tối ưu và đặc biệt phải thiết kê bộ điều khiển giúp cho hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Giựa trên những phương pháp hiện đại của lí thuyết điều khiển tự động. Đồ án này của em sẽ nêu ra các cách nhận dạng đối tượng, xác định hàm truyền đạt của đối tượng từ đáp ứng đầu ra cho trước và từ đó xác định đối tượng có ổn định hay không.Thiết kế các bộ điều khiển P, PI, PID để nâng cao chất lượng đầu ra của hệ thống. Trong quá trình thực hiện đồ án em cũng đã nhận được nhiều sự giúp đỡ thầy cô và các bạn trong lớp đã có nhưng góp ý cho đồ án của em hoàn thiện hơn. Mặc dù rất cố gắng nhưng do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được nhiều hơn nữa sự đóng góp, bổ xung ý kiến của thầy cô và các bạn để cho đồ án này ngày càng hoàn thiện hơn. Em xin cảm ơn cô giáo Phạm Thị Hương Sen ,người đã giúp đỡ em trong suốt thời gian làm đồ án này. Em xin trân thành cảm ơn !!! 1 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động MỤC LỤC 2 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động ĐỀ BÀI (Stt.20) Cho đối tượng cần điều khiển là động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập, biết rằng nếu phần ứng động cơ được cấp nguồn điện xoay chiều 220v, với điện áp đặt U d =10V, tốc độ định mức của động cơ là 2000 vòng/phút, ( điện áp mạch kích từ là định mức, chế độ không tải). Bằng phương pháp thực nghiệm người ta cấp điện áp đặt U d =5V cho động cơ, tiến hành đo tốc độ của động cơ và ghi lại giá trị trung bình vào bảng sau: t[s] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 500 n[vòng/ph ] 0 300 580 750 850 920 960 980 990 1000 Yêu cầu: 1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ điện từ bảng số liệu trên. 2. Từ mô hình toán học thu được dùng Matlab vẽ lại đáp ứng đầu ra, so sánh và chỉnh lại mô hình cho chính xác. Nhận xét về tính ổn định của đối tượng. 3. Thiết kế bộ điều khiển động cơ theo các luật điều khiển sau: • Điều khiển ON/OFF • Điều khiển P, PI, PID tiến hành chỉnh định theo ít nhất 3 phương pháp đánh giá chất lượng so sánh két quả thu được 3 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Chương 1: XÂY DƯNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC I, Hàm truyên đạt ,đặc tinh động học của hệ thống 1, Hàm truyền đạt Hàm truyền đạt của hệ thống là tỷ số của tín hiệu ra với tín hiệu vào của hệ thống đó. Biểu diễn theo biến đổi laplace với điều kiện đầu vào bằng 0 Dạng tổng quát của hàm truyền đạt 111Equation Chapter (Next) Section 1212Equation Chapter (Next) Section 1 W(s)= ( ) ( ) B s A s = 1 0 1 1 1 0 1 1 m m m m n n n n s s b s b s b b a s a s a a − − − − + + + + + + + + L L Trong đó - Thông thường m≤n - Khi :B(s)=0 ta có các điểm zero - Khi :A(s)=0 ta có các điểm cực ,các nghiệm này sẽ quyết định trực tiếp tới tính chất của hệ (A(s)=0 gọi là phương trình đặc trưng của hề thống ) 2, Đặc tính độngcủa hệ thống Đặc tính động học của hệ thống mô tả sự thay đổi tín hiệu đầu ra của hệ thống theo thời gian khi có tác động của đầu vào Để khảo sát tính động học của hệ thống thì tín hiệu vào thường được lựa chọn là tín hiệu cơ bản như xung đizắc ,hàm bậc thang đơn vị ,hàm điều hòa .Tùy theo dạng của tín hiệu vào thử mà đặc tính động học là đặc tính thời gian hay đặc tính tần số 4 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động 2.1, Đặc tính thời gian a, Hàm quá độ Hàm quá độ h(t) là hàm mô tả tín hiệu đầu ra theo thời gian khi tác động đầu vào là 1(t) b, Đặc tính hàm trọng lượng g(t) Mô tả sự thay đổi đầu ra là hàm g(t)khi tín hiệu đầu vào là xung đizắc 2.2, Đặc tính tần số Mô tả sự thay đổi của tỷ số biên độ tín hiệu ra và tín hiệu vào ,sự thay đổi góc pha giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào theo tác động tần số thay đổi Hàm truyền tần số là ( ) W j ω Thay s=jω vào hàm truyền đạt Đặc tính biên độ tần số A(ω) Đặc tính pha tần số 5 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Đặc tính nyquist là mô tả đường đặc tính W(jω) Đường đặc tính đồ thị bode;là đường đặc tính tần biên pha trên tham logarit II, Cách xác định hàm truyền 2.1, Các dạng hàm quá độ: Trên cơ sở hàm quá độ của đối tượng có thể xác định gần đúng hàm truyền đạt của nó a, Khâu dao động bậc 2 không có trễ Hàm truyền có dạng b, Khâu dao động bậc 2 có trễ Hàm truyền có dạng 2 2 W( ) 2 1 s K s e T s Ts τ ε − = + + c, Khâu quán tính bậc 1 không trễ 6 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Step Response Time (sec) Amplitude 0 50 100 150 200 250 300 350 0 10 20 30 40 50 60 Step Response Time (sec) Amplitude 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Step Response Time (sec) Amplitude Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Hàm truyền có dạng ( ) W 1 K s Ts = + d, Khâu quán tính bậc 1 có trễ Hàm truyền có dạng W( ) 1 s K s e Ts τ − = + e, Khâu quán tính bậc 2 không trễ Hàm truyền có dạng ( ) ( ) 1 2 W( ) 1 1 K s T s T s = + + 7 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Step Response Time (sec) Amplitude 0 5 0 100 1 5 0 20 0 250 30 0 350 4 0 0 450 5 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 S te p Re s po n s e Time ( s e c ) A m plitu d e Đồ án lý thuyết điều khiển tự động g, Khâu quán tính bậc 2 có trễ Hàm truyền có dạng ( ) ( ) 1 2 W( ) 1 1 s K s e T s T s τ − = + + Chú ý: Hàm quá độ của khâu quán tính bậc 1 và khâu quán tính bậc 2 rất giống nhau 2.2 cách xác định hàm truyền: Từ bảng số liệu ta sử dụng matlab vẽ đồ thị: Trong cửa sổ command window gõ: >> x=[0 50 100 150 200 250 300 350 400 500]; >> y=[0 300 580 750 850 920 960 980 990 1000]; >> plot(x,y); 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Đồ thị thu được 8 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Step Response Time (sec) Amplitude Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Từ đồ thị ta xác định đây là khâu quán tính bậc 2 không trễ Hàm truyền đạt dạng tổng quát: là hàm số chuẩn := Sử dụng phương pháp đồ thị giải tích để xác định các tham số , từ hàm quá độ .Kẻ đường tiếp tuyến với đường của tại điểm uốn,ta xác định được điểm , 2 ;Xác định được các khoảng cách a,b,c như hinh. Ta sẽ xác định , theo a,b,c. Ta có đồ thị của 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 b a c Ta có: (t) = 1 - . + . (*) (t) = ( - ) (t) = ( - ) Tại điểm uốn : () =0 (**) 9 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Từ đồ thị ta thấy : b=1 -() Kết hợp với (*): b= . - . Thay (**) vào: b = ( - ) = . Ta có : a = = Từ đồ thị ta thấy :c = 1 -() c = . - . c = ( - ) = . Biến đổi để tìm theo a,b,c : = = = +0,5 = = = a( +0,5 ) = a - = a(0,5 - ) Với các khoảng cách a,b,c .Xác định trực tiếp trên đồ thị ta sẽ tính được các tham số , . Từ đồ thị ta xác định đc các giá trị a,b,c : Áp dụng công thức: T 1 = a( +0,5 ) T 1 = 91 T 2 = a – T 1 = 110 – 91 = 19 Như vậy ta xác định được hàm truyền đạt: 10 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD [...]... Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN I, Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng 1.1 Đánh giá chất lượng ở trạng thái xác lập +) Sai số xác lập() Xét hệ có sơ đồ tổng quát như hình bên Ta có: E(t)=r(t)-Y(t) (-) Y(t) E(t) r(t) Wh(s) Wph(s) +) Đánh giá sai số xác lập dựa trên hàm quá độ 20 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động h(t)... kế tự động mà chỉ là bộ công cụ trợ giúp thiết kế vì vậy người thiết kế phải hiểu rõ lý thuyết điều khiển tự động, nắm được bản chất của từng khâu hiệu chỉnh thì mới sử dụng được công cụ này Trong đồ án ta sử dụng Matlab 7.11.0 Trình tự thiết kế Bước 1: Khai báo đối tượng điều khiển G, phản hồi H, giá trị đặt F 30 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Trong... điều khiển mềm trong máy tính Bộ điều khiển PID thường được chế tạo dưới dạng các bộ điều khiển chuyên dụng và có thể được tích hợp trong các bộ điều khiển khác như PLC, biến tần… 2.4, Mô hình điều khiển Ta có mô hình khiển với phản hồi âm Bộ điều khiển PID được ghép nối tiếp với đối tượng: 25 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Mô hình trên matlab: III,... Nhập đối tượng điều khiển vào Sisotool 31 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Trong hộp thoại Control and Estimation Tools Manager, chọn thẻ Archtiture : Nhập dữ liệu cho đối tượng điều khiển : Chọn System Data → Browse Trong thẻ Import model for ta chọn các khối G, H, C, F trong hệ thống điều khiển để nhập dữ liệu System Data + Đối tượng điều khiển G: g +... vị làm tương tự ta có: 1.2 Đánh giá chất lượng ở trạng thái quá độ +) Đánh giá dựa trên hàm quá độ 21 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động h(t) +2%.Yxl Yxl -2%.Yxl tmax tqd t Từ sai số cho trước 5%( Trong đồ án ta chọn sai số Kẻ hành lang sai số: Yxl + 2%.Yxl và Yxl - 2%.Yxl +) Thời gian quá độ: tqd +) Độ quá điều chỉnh(: Đặc trưng cho dao động của hệ +)... PI: Đồ thị bode 23 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Đồ thị bode của khâu PI Về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn quy luật tỉ lệ nhưng nhanh hơn quy luật tích phân Trong thực tế, quy luật điều khiển PI được sử dụng khá rộng rãi và đáp ứng được chất lượng cho hầu hết các quá trình công nghệ Tuy nhiên, do có thành phần tích phân nên độ tác động. .. a, Bộ điều khiển P: với KP= 0,07, KI= 0, KD= 0 Ta có đáp ứng đầu ra như hình sau: Nhận xét: - Độ quá điều chỉnh lớn: 15% - Thời gian quá độ: tqd = 119s 7 6 5 4 3 - Thời gian tăng tốc: 20s 2 - Thời gian lên đỉnh: 32s 1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 b, Bộ điều khiển PI: với KP= 0,07, KI= 0,0019, KD= 0 29 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động. .. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động 1.2, So sánh và chỉnh định lại mô hình toán học a, So sánh Trong cửa sổ command window gõ: >> x=[0 50 100 150 200 250 300 350 400 500]; >> y=[0 300 580 750 850 920 960 980 990 1000]; >> plot(ScopeData.time, ScopeData.signals.values,x,y); Ta được đồ thị của mô hình so với đồ thị đề bài: 1000 900 800 700 600 500 400 300... số điều khiển 2.1, Phương pháp thủ công Tham số T.gian tăng Độ quá điều chỉnh T.gian quá độ Sai số xác lập (tăng) (Rise time) (Overshoot) (Settling time) (Steady-state err) KP Giảm Tăng Ít thay đổi Tăng KI Giảm Tăng Tăng Không xác định KD Ít thay đổi Giảm Giảm Thay đổi ít a, Bộ điều khiển P: với KP= 0.025, KI=0, KD=0 26 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động. .. Command Bước 3: Thiết kế bộ điều khiển P, PI, PID Trở lại hộp thoại Control and Estimation Tools Manager → chọn thẻ Automated Tuning, trong mục Design method chọn PID Tuning Thẻ Automated Tuning Thẻ Compensator hiện giá trị của bộ điều chỉnh C ( hiện tại bẳng 1 ) 33 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàng – Đ4.CNTD Đồ án lý thuyết điều khiển tự động Chọn loại của bộ điều khiển : +P: + PI : + PID : + . tốc độ định mức của động cơ là 2000 vòng/phút, ( điện áp mạch kích từ là định mức, chế độ không tải) . Bằng phương pháp thực nghiệm người ta cấp điện áp đặt U d =5V cho động cơ, tiến hành đo tốc