Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo thí nghiệm điều khiển tự động bài 4 mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Bài 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC NHÓM Nguyễn Văn Tiến 09076481 Thái Thanh Tín 09079441 Phan Trung Tín 09179281 MỤC ĐÍCH Giúp sinh viên hiểu mô hình toán động DC Khảo sát đối tượng động mô hình toán, đánh giá chất lượng phương pháp điều khiển sử dụng II THÍ NGHIỆM Cho hàm truyền mô hình động có dạng sau: 𝟑𝟑𝟑 𝟒 (𝒔 + 𝟑𝟏 𝟐)(𝒔 + 𝟐 𝟏𝟒) II.1 Khảo sát mô hình điều khiển tốc độ động dùng phương pháp điều khiển PID Mục địch: I • • Khảo sát ảnh hưởng hiệu chỉnh PID lên tốc độ động Thí nhiệm: Trong đó: - Tín hiệu đầu vào hàm nấc Uu(t) = 1200 (tốc độ 1200 RPM) - Transfer Fcn Transfer Fcn1 thể mô hình động a, Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh P (Ki = 0, Kd = 0), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Ta xác định giá trị độ vọt, sai số xác lập, thời gian xác lập sau: Đâu tiên ta sẻ nhập hàm truyền động DC vào Matlab vào công cụ sisotool lấy thành phần hình Sau ta sẻ thiết lập đầu vào tín hiệu hàm nấc với Final Value = 1200, thông số lại sẻ hình sau Tiếp theo, ta sẻ thiết lập thông số Ki = 0, Kd = 0, theo đổi giá trị Kp bảng từ ta sẻ xác định giá trị độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập Muốn vẽ xem đáp ứng hệ thống sẻ vẻ tương tự trước Bên để vẽ đáp ứng bên hàm nấc, Sau ta sang bên cửa sổ Matlab gõ lệnh >> plot(ScopeData.time,ScopeData.signals.values) >> grid on; Từ bước ta có sẻ nhận đáp ứng hệ thống với Kp = 2, Ki = 0, Kd = Dựa vào đáp ứng hệ thống ta xác định độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập Nhìn hình ta dễ dàng nhận thấy, độ vọt lố hệ Thời gian xác lập không có, Sai số xác lập sẻ 15 - Độ vọt lố tính sau: (1298-1200)/1200 *100 = 8.16%(~8.2%) - Sai số xác lập: 1200 – 1125 = 75 - Thời gian xác lập tính thời gian cần thiết để sai lệch đáp ứng hệ thống giá trị xác lập không vượt 5%(0.05) 2%(0.02) Dó ta nhận thấy hệ thống hình thời gian xác lập Làm tương tự cho trường hợp lại ta có bảng tổng kết Kp 10 20 POT(%) Chưa có Chưa có 8.2 36,25 50.58 exl 200 109 75 23 12 txl (s) Chưa có Chưa có Chưa có 0.23 0.2 Nhận xét: Hê thống sẻ thay đổi trạng thái hoạt động thay Kp Khi Kp nhỏ hệ thống hoạt động ổn định mà không đạt giá trị đạt ban đâu(sai số xác lập lớn) Khi Kp đạt giá trị lớn thi lúc hệ thống đạt giá trị đạt ban đâu bù lại hệ thống sẻ ổn định với độ vọt lố hệ thống lớn Giải thích: Ta thấy sử dụng khâu hiệu chỉnh P(khâu tỉ lệ) sẻ làm cho sai số xác lập đạt kết tốt tiến 0, bù lại độ vọt lố hệ thống sẻ tăng cao sẻ làm hệ thống ổn định Do muốn sai số xác lập hệ thống băng tăng Kp đến vô b, Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh PI (Kp = 2, Kd = 0), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Như ta biết, hệ thống sẻ có giá trị sai số xác lập ứng với giá trị Kp Bây ta sẻ chọn giá trị Kp thích hợp để thí nghiệm khâu hiệu chỉnh PI Chọn Kp = ta nhận thấy đáp ứng hệ thống tốt so với trường hợp lại(dựa vào tiêu chí độ vọt lố, sai số xác lập) Bây ta sẻ vẻ đáp ứng hệ thống với Kp=2, Kd = 0, Ki = 2(Ki thay đổi) Làm tương tự phần ta sẻ có sau: Bây ta sẻ tính độ vọt lố sai số xác lập tương tự phần a tính thời gian xác lập sau: (1200 – 1177)/1200*100 = 1.92 (%) thỏa điều kiện 2% thời gian xác lập sau ta lấy giá trị thời gian điểm để biết thời gian xác lập Ở thấy Thời gian xác lập băng 1.1(s) Làm tương tự phần trên(thay đổi Ki giá trị theo bảng) ta sẻ có bảng tổng hợp giá trị sau Ki 10 20 POT(%) 1.25 3.80 6.20 21.80 39.70 exl 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 txl (s) 2.8 1.10 0.38 0.30 0.40 Nhận xét: dựa vào đáp ứng hệ thống bảng số liệu ta thấy hệ thống đạt giá trị đạt Nhưng giống khâu hiệu chỉnh P, giá trị Ki lớn hệ thống ổn định(độ vọt lố tăng cao) làm chậm đáp ứng độ hệ thống(hệ thống vào trạng thái ổn định) Giải thích: Như ta biết khâu hiệu chỉnh PID trường hợp đặc biệt khâu trễ pha sẻ có đặc tính khâu trễ pha làm chập đáp ứng độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập Do tăng Ki lơn đáp ứng sai số xác lập độ vọt lố tăng cao(mất ổn định) tốt ta nên chọn giá trị Ki cho hệ thống phù hợp c, Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh PID (Kp = 2, Ki = 2), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Ta sẻ chọn giá trị Ki = thời gian xác lập cho phép khoảng 2% độ vọt lố hệ thống không lớn(trường hợp hệ thống tốt theo em nhận định) Vậy ta sẻ khảo sát khâu hiệu chỉnh PID với Kp = 2, Ki = 2, K = 0.005 Ta có hình Khâu hiệu chỉnh PID với Kp = 2, Ki = 2, K = Làm tương tự cho trường hợp lại thay đổi giá trị Kd ta có bẳng tổng hợp kết Kd 0.005 0.01 0.5 POT(%) 0.02 0.6 20.83 37.83 exl 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 txl (s) 1.1 1.2 1.4 2.1 2.7 Nhận xét: ta nhận thấy thay đổi giá trị Kd hệ thống sẻ thay đổi trạng thái Hệ thống sẻ hoạt động tốt giá trị Kd không lớn giá trị lại hệ thống hoạt động ổn định vào trạng thái xác lập sơm Giải thích: Khi có giá trị Kd thích hợp khâu PID sẻ hoạt động tốn để đưa hệ thống vào trạng thái ổn định Ta xem khâu hiệu chỉnh PID tạo thành từ cách mắc nối tiếp khâu PI với khâu PD có ưu điểm mà khâu mang lại cải thiện đáp ứng độ(độ vọt lố thời gian xác lập), giảm sai số xác lập d, Nhận xét ảnh hưởng khâu P, I, D đến chất lượng hệ thống • Khâu P: thực chất khâu p khâu tỉ lệ nên sẻ có đặc tính ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống sai số xác lập nhỏ độ vọt lố tăng Kp tăng ngược lại Do đó, ta có hệ thống mà vừa có sai số xác lập nhỏ độ vọt lố thấp với khâu • Khâu I: dạng khâu trễ pha, nên sẻ có đặc tính khâu trễ pha ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống tăng độ vọt lố,làm chậm đáp ứng độ, giảm sai số xác lập Hệ thống sư dụng khâu đáp ứng số tiêu chuẩn chất lượng không đáp ứng lúc hết • Khâu D: dạng khâu sơm pha Nên có đặc tính ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống giống khâu sớm pha đáp ứng hệ thống nhanh, giảm thời gian độ Hệ thống đáp ứng đặc tính mà mang lại khâu có ưu điểm mà ngược điểm riêng để đáp ứng hệ thống ổn định tốt ta kết hợp khâu để tạo thành khâu hiệu chinht PID với thống số đánh giá chất lượng hệ thống mà khâu mang lại II.2 Khảo sát mô hình điều khiển vị trí phương pháp điều khiển PID Cho hàm truyền sau: 𝟑𝟑𝟑 𝟒 𝟏𝟔𝒔(𝒔 + 𝟑𝟏 𝟐)(𝒔 + 𝟐 𝟏𝟒) Thí nghiệm: Trong đó: - Tín hiệu đầu vào hàm nấc Uu(t) = 10 (vị trí 10) - Transfer Fcn, Transfer Fcn1 Transfer Fcn2 thể hàm truyền hệ điều khiển vị trí a, Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh P (Ki = 0, Kd = 0), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Thiết lập thống số phần mên Matlab phần a ta sẻ thực Từ bước ta có sẻ nhận đáp ứng hệ thống với Kp = 4, Ki = 0, Kd = Dựa vào đáp ứng hệ thống ta xác định độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập Làm tương tự cho trường hợp lại, ta có bảng sau Kp 16 POT(%) Chưa có Chưa có 7.9 22.8 40.6 exl 189 109 0.001 0.001 0.001 txl (s) 11 4.2 5.2 3.8 4.2 Nhận xét: Hê thống sẻ thay đổi trạng thái hoạt động thay Kp Khi Kp nhỏ hệ thống hoạt động ổn định mà thời gian xác lập lớn Khi Kp đạt giá trị lớn thi lúc hệ thống đạt thời gian xác lập nhanah bù lại hệ thống sẻ ổn định với độ vọt lố hệ thống tăng nhanh Giải thích: Ta thấy sử dụng khâu hiệu chỉnh P(khâu tỉ lệ) sẻ làm cho thời gian xác lập đạt kết tốt nhất, bù lại độ vọt lố hệ thống sẻ tăng cao sẻ làm hệ thống ổn định Do muốn thời gian xác lập hệ thống nhỏ không tăng giá trị Kp b, Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh PI (Kp = 4, Kd = 0), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Chọn giá trị Kp = lúc hệ thống đạt trạng thái tốt Bây ta sẻ vẻ đáp ứng với Kp=4, Kd = 0, Ki = 0.5 Làm tương tự cho trường hợp khác ta sẻ có bảng sau: Ki 0.1 0.5 POT(%) 10.1 18.3 28.1 45.5 69.7 exl 1.15 0.001 0.001 0.001 0.001 txl (s) 4.26 12.39 9.1 6.59 14.9 Nhận xét: dựa vào đáp ứng hệ thống bảng số liệu ta thấy hệ thống đạt giá trị đạt Nhưng giống khâu hiệu chỉnh P, giá trị Ki lớn hệ thống ổn định(độ vọt lố tăng cao) làm chậm đáp ứng độ hệ thống(hệ thống vào trạng thái ổn định – thời gian xác lập) Giải thích: Như ta biết khâu hiệu chỉnh PID trường hợp đặc biệt khâu trễ pha sẻ có đặc tính khâu trễ pha làm chập đáp ứng độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập Do tăng Ki lơn đáp ứng sai số xác lập độ vọt lố tăng cao(mất ổn định) tốt ta nên chọn giá trị Ki cho hệ thống phù hợp c, Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh PID (Kp = 4, Ki = 0.5), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Chọn giá trị Ki = 0.5 sai số xác lập gần 0, coi đáp ứng trường hợp tốt cho hệ thống điều khiển vị trí Bây ta sẻ vẻ đáp ứng với Kp=4, Kd = 2, Ki = 0.5 Kd 0.1 0.5 POT(%) 17.3 13.1 9.77 7.40 6.17 exl 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 txl (s) 12 12 13.8 14.22 15.5 Nhận xét: ta nhận thấy thay đổi giá trị Kd hệ thống sẻ thay đổi trạng thái(độ vọt lố, thời gian xác lập) Hệ thống sẻ hoạt động tốt giá trị Kd không lớn giá trị lại hệ thống hoạt động ổn định vào trạng thái xác lập sơm Kd nhỏ Giải thích: Khi có giá trị Kd thích hợp khâu PID sẻ hoạt động tốn để đưa hệ thống vào trạng thái ổn định Ta xem khâu hiệu chỉnh PID tạo thành từ cách mắc nối tiếp khâu PI với khâu PD có ưu điểm mà khâu mang lại cải thiện đáp ứng độ(độ vọt lố thời gian xác lập), giảm sai số xác lập d, Nhận xét ảnh hưởng khâu P, I, D đến chất lượng hệ thống • Khâu P: thực chất khâu p khâu tỉ lệ nên sẻ có đặc tính ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống sai số xác lập nhỏ độ vọt lố tăng Kp tăng ngược lại Do đó, ta có hệ thống mà vừa có sai số xác lập nhỏ độ vọt lố thấp với khâu • Khâu I: dạng khâu trễ pha, nên sẻ có đặc tính khâu trễ pha ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống tăng độ vọt lố,làm chậm đáp ứng độ, giảm sai số xác lập Hệ thống sư dụng khâu đáp ứng số tiêu chuẩn chất lượng không đáp ứng lúc hết • Khâu D: dạng khâu sơm pha Nên có đặc tính ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống giống khâu sớm pha đáp ứng hệ thống nhanh, giảm thời gian độ Hệ thống đáp ứng đặc tính mà mang lại khâu có ưu điểm mà ngược điểm riêng để đáp ứng hệ thống ổn định tốt ta kết hợp khâu để tạo thành khâu hiệu chinht PID với thống số đánh giá chất lượng hệ thống mà khâu mang lại e, thay đổi tín hiệu đầu vào hàm nấc thành tín hiệu song song vuông có chu kỳ 10s ta sẻ khảo sát lại khâu hiệu chỉnh Ta sẻ có sơ đồ khối similink là: Để điều thông số cho xung vuông có chu kỳ 10s Ta Click vào khối Pulse Generator sau cài đạt thông số hình: Vậy ta có tín hiệu đầu vào xung vuống với kỳ 10s + Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh P (Ki = 0, Kd = 0), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Ta làm tương tự phần Ta sẻ có bảng sau Vì chu kỳ xung 10s nên sau 5s xung sẻ đổi trạng thái từ sang 0(hoặc ngược lại) nên ta sẻ có đáp ứng xung ứng với trạng thái đáp ứng xung, nhận thấy đáp ứng ngược hình Với Kp = 5, Ki = Kd = 0; Ta sẻ có trang bên Với N số lần đổi trạng thái hệ thống N Kp 10 15 20 POT(%) Chưa có 12.2 23.8 38.9 46.7 exl Chưa có 0.001 0.001 0.001 0.001 txl (s) Chưa có 4.059+N5 4.2+N5 4.3+N5 4.6+N5 Nhận xét: - thấy đáp ứng hệ thống sẻ đáp ứng với trạng thái xung vuông với chu kỳ 10(s) lần xung vuông đổi trạng thái hệ thống sẻ tự động đáp ứng để phù hợp với trạng thái - Hê thống sẻ thay đổi độ ổn định thay Kp Khi Kp nhỏ hệ thống hoạt động ổn định mà thời gian xác lập lớn Khi Kp đạt giá trị lớn thi lúc hệ thống đạt thời gian xác lập nhanh bù lại hệ thống sẻ ổn định với độ vọt lố hệ thống tăng nhanh Giải thích: - Vì khoảng thời gian s hệ thống sẻ thay đôi nên khâu hiệu chỉnh phải hiệu chỉnh phù hợp với trạng thái xung vào( or 1) - Ta thấy sử dụng khâu hiệu chỉnh P(khâu tỉ lệ) sẻ làm cho thời gian xác lập đạt kết tốt nhất, bù lại độ vọt lố hệ thống sẻ tăng cao sẻ làm hệ thống ổn định Do muốn thời gian xác lập hệ thống nhỏ không tăng giá trị Kp + Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh PI (Kp = 5, Kd = 0), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Ta sẻ có Kp = 5, Kd = 0; Ki = Ta sẻ có bảng sau: Ki 0.1 0.5 POT(%) 13.8 20 27.1 40.1 70.3 exl 0.001 0.001 0.02 0.05 0.1 Kxđđ Kxđđ Kxđđ Kxđđ txl (s) 3.5 Note: Kxđđ = không xác định + Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh PID (Kp = 4, Ki = 0.5), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập hệ thống dựa vào bảng Với Kp = 5, Ki = 0.1 Kd = 0.5 Ta sẻ có sau: Với Kp = 5, Ki = 0.1 Kd = 10 Ta sẻ có bảng kết sau: Kd 0.1 0.5 10 POT(%) 12.6 2.36 4.51 Không có Không có exl 0.001 0.001 0.001 0.001 0.037 txl (s) 3.44 3.56 3.67 3.55 Kxđđ NHẬN XÉT: Nhìn chung nhận xét nêu hết tất đặc điểm khâu P, I, D, PI, PID trường hợp hệ thống hoạt động chế độ làm việc định Khi hệ thống chuyển sang hai trạng thái làm việc(hệ có đầu vào xung vuong với chu kỳ 10s) khâu hiệu chỉnh thiết kế phải tự động thay đổi để thích nghi với trạng thái hệ thống, giúp hệ thống ổn định tất trạng thái hệ thống gặp END [...]... trạng thái mới của nó - Hê thống sẻ thay đổi độ ổn định của mình khi thay Kp Khi Kp nhỏ thì hệ thống hoạt động ổn định như mà thời gian xác lập lớn Khi Kp đạt các giá trị lớn thi lúc đó hệ thống có thể đạt được thời gian xác lập nhanh hơn nhưng bù lại hệ thống sẻ mất ổn định với độ vọt lố của hệ thống tăng nhanh Giải thích: - Vì trong khoảng thời gian 5 s thì hệ thống sẻ thay đôi nên khâu hiệu chỉnh của... thái của hệ thống N bắt đầu từ 1 Kp 1 5 10 15 20 POT(%) Chưa có 12.2 23.8 38.9 46 .7 exl Chưa có 0.001 0.001 0.001 0.001 txl (s) Chưa có 4. 059+N5 4. 2+N5 4. 3+N5 4. 6+N5 Nhận xét: - có thể thấy rằng đáp ứng của hệ thống sẻ đáp ứng với từng trạng thái của xung vuông với chu kỳ là 10(s) mỗi lần xung vuông đổi trạng thái thì hệ thống cũng sẻ tự động đáp ứng để phù hợp với trạng thái mới của nó - Hê thống sẻ... của xung vào( 0 or 1) - Ta có thể thấy rằng khi sử dụng khâu hiệu chỉnh P(khâu tỉ lệ) thì sẻ làm cho thời gian xác lập đạt được kết quả tốt nhất, nhưng bù lại độ vọt lố của hệ thống sẻ tăng cao như thế sẻ làm hệ thống mất ổn định Do đó không thể muốn thời gian xác lập của hệ thống nhỏ thì không thế cứ tăng giá trị của Kp + Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh PI (Kp = 5, Kd = 0), ta sẻ có độ vọt... sau: Kd 0.1 0.5 1 5 10 POT(%) 12.6 2.36 4. 51 Không có Không có exl 0.001 0.001 0.001 0.001 0.037 txl (s) 3 .44 3.56 3.67 3.55 Kxđđ NHẬN XÉT: Nhìn chung các nhận xét ở trên đã nêu hết được tất cả các đặc điểm của khâu P, I, D, PI, PID nhưng là ở trường hợp hệ thống hoạt động ở 1 chế độ làm việc nhất định Khi hệ thống chuyển sang hai trạng thái làm việc (hệ có đầu vào là xung vuong với chu kỳ là 10s) thì... gian xác lập trên hệ thống dựa vào bảng dưới đây Ta sẻ có Kp = 5, Kd = 0; Ki = 1 Ta sẻ có bảng sau: Ki 0.1 0.5 1 2 5 POT(%) 13.8 20 27.1 40 .1 70.3 exl 0.001 0.001 0.02 0.05 0.1 Kxđđ Kxđđ Kxđđ Kxđđ txl (s) 3.5 Note: Kxđđ = không xác định được + Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh PID (Kp = 4, Ki = 0.5), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập trên hệ thống dựa vào bảng dưới đây Với...Để điều chỉ thông số cho xung vuông có chu kỳ 10s Ta Click vào khối Pulse Generator rồi sau đó cài đạt thông số như hình: Vậy là ta đã có tín hiệu đầu vào là xung vuống với chú kỳ là 10s + Khảo sát hệ thống sử dụng khâu hiệu chỉnh P (Ki = 0, Kd = 0), ta sẻ có độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập trên hệ thống dựa vào bảng dưới đây Ta làm tương tự như phần trên Ta sẻ có... thống chuyển sang hai trạng thái làm việc (hệ có đầu vào là xung vuong với chu kỳ là 10s) thì các khâu hiệu chỉnh của chúng ta thiết kế cũng phải tự động thay đổi để thích nghi với trạng thái mới của hệ thống, giúp hệ thống ổn định trong tất cả các trạng thái của hệ thống có thể gặp END