Đang tải... (xem toàn văn)
Hình 3.8: Dùng tune PID khảo sát bộ điều khiển kết quả thu được như sau: Hình 3.9: Kết quả khảo sát bộ điều khiển trong đó: đường hiển thị màu xanh là đường hiển thị đáp ứng bước nhảy của hệ thống ứng với các thông số Kp, Ki, Kd tối ưu được máy tính toán, còn đường kẻ nhạt là đường đường hiển thị đáp ứng bước nhảy của hệ thống ứng với các thông số Kp, Ki, Kd chúng ta gán vào. Như vậy với các thông số tính toán được ta thấy độ vọt lố tăng, thời gian quá độ ngắn vậy với các thông số đó cũng cho ta 1 bộ điều khiển tương đối phù hợp. Để lấy các thông số chủa bộ điều khiển PID đã được tính, ta click vào ok máy tính sẽ tự động gán các hệ số Kp, Ki, Kd đã tính được cho bộ điều khiển chúng ta. Hình 3.10: Tối ưu hóa bộ điều khiển PID cuối cùng click vào ok để hoàn thành quá trình tìm các thông số tối ưu cho bô điều khiển Cuối cùng khi đã có các thông số tối ưu của hệ thống, ta khảo sát lại với simulink cho kết quả:
Chương I: Giới thiệu I Matlab Hình I.1: hình ảnh phần mềm matlab ATLAB phần mềm tiếng công ty MathWorks, ngôn ngữ hiệu cao cho tính tốn kỹ thuật viết logo phần mềmnày Nó tích hợp tính tốn, thị lập trình mơi trường dễ sử dụng Các ứng dụng tiêu biểu MATLAB bao gồm: − Khả tính tốn mạnh − Phát triển thuật tốn − Chứa Simulink môi trường mạnh để mô hệ thống động h ọc tuyến tính phi tuyến − Đồ họa khoa học kỹ thuật − Phát triển ứng dụng với giao diện đồ họa − Có kiến trúc mở, ủng hộ việc xây dựng thêm module tính tốn kỹ thuật theo chuẩn cơng nghiệp Tên phần mềm MATLAB bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laborator y” Đầu tiên viết FORTRAN để cung cấp truy nhập dễ dàng tới phầnmềm ma trận phát triển dự án LINPACK EISPACK Sau nóđược viết ngơn ngữ C sở thư viện nêu trê n phát triển thêmnhiều lĩnh vực tính tốn khoa học ứng dụng kỹ thuật Phiên dùng R2013a ngày 15 tháng năm 2014 Ứng dụng Matlab dùng rộng rãi giáo dục, phổ biến giải toán số trị (cả đại số tuyến tính lẫn giải tích) nhiều lĩnh vực kĩ thuật Matlab ứng dụng để mô tính tốn mơn học môn Vô tuyến Lý thuyết trường, môn Lý thuyết mạch (Lý thuyết mạch, lý thuyết thông tin, Xử lý tín hiệu số); Xử lý âm thanh, hình ảnh Đặc biệt cơng cụ hỗ trợ tốt trơng mô hệ thống tự động, công cụ hỗ trợ đắc lực cho chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa Việc nắm vững cách sử dụng chương trình ngơn ngữ lập trình Matlab lợi không nhỏ bạn sinh viên, với bạn tham gia vào công việc Nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó, cơng cụ simulink có matlab cơng cụ nhiều ngành sử dụng với nhiều ứng dụng, giao diện làm việc matlab Hình I.2: Giao diện làm việc Matlab II SIMULINK Simulink phần mềm mở rộng matlab ( toolbox matlab) dùng để mơ hình hóa, mơ hóa phân tíc hệ thóng động Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin ứng dụng mô khác simulink thuật ngữ mô dễ nhớ ghép hai từ simulation link Simulink cho phép mơ tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, mơ hình miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hệ bao gồm liên tục gián đoạn Để mơ hình hóa, Simulink cung cấp cho ta giao diện đồ họa để sử dụng xây dựng mơ hình sử dụng thao tác " nhấn kéo" chuột để lấy khối có sẵn, với giao diện đồ họa ta xây dựng mơ hình khảo sát mơ hình cách trực quan Điểm nhấn mạnh quan trọng cơng việc mơ q trình thành lập mơ hình, để xây dựng sử dụng tốt, ta cần phải có kiến thức điều khiển từ thành lập lên mơ hình tốn Để vào làm việc với Simulink, từ giao diện matlab gõ lệnh simulink ta làm việc vs tool simulink, sổ hoạt động liên kết với sổ lệnh Matlab Giao diện simulink Hình I.3: Giao diện làm việc Simulink Ta thấy cửa sổ Simulink có nhiều khối (blocks library), có nhiều khối chức cụ thể Từ cửa sổ lệnh ta thấy nhiều khối thư viện như: Sources (khối nguồn) , Skins (khối đầu đo), nonlinear (khối phi tuyến), linear (khối tuyến tính), connections (khối đầu nối), v v Hình I.4:Khối nguồn thư viện Simulink Thư viện chủa Simulink bao gồm khối chuẩn trên, bên cạnh người sử dụng thay đổi hay tạo khối cho riêng Simulink giống phần mềm mô thiết kế mạch điện khác như: microsim eval, EWB, Để tạo khối mới, ta chọn file chon new, sau chọn model, làm vịệc ta ấn tổ hợp phím ctrl + N Hình I.5 Tạo khối Simulink III Để tìm hiểu sau nó, ta tìm hiểu số tool có sẵn thư viện Matlab 3.1: Rlocus Cú pháp rlocus rlocus (sys) rlocus (sys1, sys2, ) Mô tả Rlocus tính tốn quỹ đạo nghiệm Evans mơ hình vòng hở SISO Nó cho biết cực đường cong kín hàm phản hồi k(giả sử phản hồi âm) Được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng việc thay đổi vị trí cực vòng kín Đổi lại, vị trí cung cấp thơng tin gián tiếp đáp ứng thời gian tần số rlocus (sys) tính tốn vẽ đồ thị quỹ đạo nghiệm vòng lặp mở mơ hình SISO sys Hàm áp dụng cho vòng phản hồi âm sau cách thiết lập sys thích hợp Nếu sys có hàm chuyển cực vòng kín nghiệm d(s) + kn(s) = rlocus chọn tập hợp k dương để tạo đồ thị phẳng Ngoài ra, rlocus (sys, k) sử dụng vector k để vẽ quỹ đạo nghiệm rlocus (sys1, sys2, ) vẽ quỹ đạo nghiệm nhiều mơ hình LTI sys1, sys2, đồ thị Bạn chọn màu sắc, kiểu dòng, đánh dấu cho mơ hình, rlocus (sys1, 'r', sys2, 'y:', sys3, 'gx') Khi tìm đối số đầu ra, [r, k] = rlocus (sys) r = rlocus (sys, k) trả lại vector k tăng lựa chọn địa điểm gốc phức tạp r cho lợi ích Ma trận r có chiều dài (k) cột cột thứ j liệt kê nghiệm cho k đạt (j) Bạn thay đổi thuộc tính đồ thị, đơn vị Đối với thông tin cách để thay đổi thuộc tính đồ thị bạn, xem cách để tùy chỉnh ví dụ 3.1: Tìm vẽ đồ thị hệ thống sau h = tf ([2 1], [1 3]); rlocus (h) Bạn sử dụng menu chuột phải cho rlocus thêm đường lưới, phóng to thu nhỏ, gọi biên tập tài sản để tùy chỉnh đồ thị Ngoài ra, nhấp vào nơi đường cong để kích hoạt điểm đánh dấu liệu để hiển thị giá trị đạt được, cực, giảm xóc, vượt qua, tần số điểm chọn 3.2: Rlocusplot Vẽ đồ thị quỹ đạo nghiệm phản hồi Cú pháp h = rlocusplot (sys) rlocusplot (sys, k) rlocusplot (sys1, sys2, ) rlocusplot (AX, ) rlocusplot ( , plotoptions) Mô tả h = rlocusplot (sys) tính tốn vẽ đồ thị quỹ đạo nghiệm đơn đầu vào, đầu mơ hình hệ thống LTI Nó trả xử lý h Bạn sử dụng tay cầm để tùy chỉnh đồ thị với lệnh getoptions setoptions Gõ help pzoptions cho danh sách tùy chọn có sẵn đồ thị Xem rlocus để biết cấu trúc thông tin phản hồi thuật toán sử dụng để tính tốn quỹ đạo nghiệm rlocusplot (sys, k) sử dụng người dùng định vector k giá trị đạt rlocusplot (sys1, sys2, ) vẽ đồ thị nghiệm nhiều mơ hình LTI sys1, sys2, đồ thị Bạn chỉnh màu sắc, kiểu dòng, đánh dấu cho mơ hình, rlocusplot (sys1, 'r', sys2, 'y:', sys3, 'gx') rlocusplot (AX, ) vẽ trục với xử lý AX rlocusplot ( , plotoptions) vẽ đồ thị quỹ đạo nghiệm với tùy chọn quy định plotoptions Gõ help pzoptions để biết thêm chi tiết Bình luận Bạn thay đổi thuộc tính đồ thị, đơn vị Đối với thông tin cách để thay đổi thuộc tính đồ thị, xem cách để tùy chỉnh đồ thị Ví dụ 3.3: Sử dụng đồ thị điều chỉnh hệ sau: sys = rss (3); h = rlocusplot (sys); p = getoptions (h); % Tùy chọn cho đồ thị p.Title.String = 'My title’; % Thay đổi tiêu đề tùy chọn setoptions (h, p); % Áp dụng tùy chọn với đồ thị 3.3: Sisotool SISO Công cụ thiết kế giao diện cú pháp sisotool sisotool(plant) sisotool(plant,comp) sisotool(plant,comp,sensor,prefilt) sisotool(views) sisotool(views,plant,comp) sisotool(initdata) sisotool(sessiondata) Mô tả sisotool mở thiết kế giao diện cho thiết kế SISO tương tác bù Giao diện cho phép bạn thiết kế đơn đầu vào / đơn đầu (SISO) bù sử dụng quỹ tích gốc, đồ thị Bode, Nyquist Nichols kỹ thuật Bạn tự động thiết kế giao diện sử dụng bù Theo mặc định, thiết kế SISO Cơng cụ: • Mở cơng cụ quản lý kiểm sốt dự tốn với nút thiết kế SISO Task mặc định • Mở trình biên tập đồ họa chỉnh với locus biểu đồ Bode vòng hở • Địa danh bù, C, đường phía trước series với nhà máy, G • Giả định lọc trước, F, cảm biến, H, thu lợi ích thống Một bạn xác định G H, chúng cố định cấu thông tin phản hồi Cấu trúc điều khiển mặc định hiển thị hình Có sáu kiến trúc điều khiển có sẵn Xem sisoinit để biết thêm thông tin Bức ảnh cho thấy trình biên soạn SISO Thiết kế đồ họa sisotool (plant) mở SISO Công cụ thiết kế, nhập thiết bị, khởi tạo mơ hình thiết bị G thiết bị mơ hình SISO LTI tạo với ss, tf, zpk frd, hàng cột mảng mơ hình LTI sisotool (plant, comp) khởi tạo mơ hình thiết bịG, bù C để comp comp đối tượng LTI sisotool(plant, comp, sensor, prefilt) khởi tạo thiết bị G, bù C đến comp, cảm biến H đến cảm biến, lọc trước F đến prefilt Cảm biến đối tượng LTI hàng cột mảng đối tượng LTI Nếu thiết bị mảng đối tượng LTI, độ dài cảm biến thiết bị phải phù hợp prefilt đối tượng LTI Hình II.10: thao tác vẽ đồ thị Nyquist ta thu kết sau: Hình II.11: Đồ thị Nyquist hàm Mơ Simulink: chia tử mẫu cho 0.02 ta hàm truyền hệ thống sau: Sử dụng simulink mơ ta có: kết mơ thu với tín hiệu đầu vào xung vng s Hình II.12: Biểu đồ thu khối Scope Chương Thiết Kế Và Hiệu Chỉnh Thông Số Bộ Điều Khiển PID I Thiết kế tìm thơng số điều khiển PID 1.1 Bộ điều khiển PID: 1.1.1 Định nghĩa: Điều khiển PID kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ thay đổi tương ứng với thay đổi giá trị đo Người ta áp dụng điều khiển P,PI hay PID Cơng thức tốn điều khiển PID miền Laplace: cơng thức: Trong đó: Kp : độ lợi tỉ lệ Ki : độ lợi tích phân Kd : độ lợi vi phân Ti=Kp/Ki : thời gian khâu vi phân Td : thời gian khâu tích phân Điều chỉnh tỉ lệ (P): phương pháp điều chỉnh tạo tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào Điều chỉnh tích phân (I): phương pháp điều chỉnh tỉ lệ để lại độ lệch (offset) sau điều chỉnh lớn Để khắc phục ta sử dụng kết hợp điều chỉnh tỉ lệ với đjiều chỉnh tích phân Điều chỉnh tích phân phương pháp điều chỉnh tạo tín hiệu điều chỉnh cho độ lẹch giảm tới Thời gian nhỏ thể tác động điều chỉnh tích phân mạnh, ứng với độ lệch bé Điều chỉnh vi phân (D): số thời gian thời gian chết hệ thống lớn điều chỉnh theo P PI có đáp ứng chậm ta sử dụng kết hợp với điều chỉnh vi phân Điều chỉnh vi phân tạo tín hiệu điều chỉnh cho tỉ lệ với tốc độ thây đổi sai lệch đầu vào Thời gian lớn điều chỉnh vi phân mạnh, ứng với điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào nhanh 1.1.2 Đáp ứng ngõ ra: Bộ điều khiển PID có tín hiệu ngõ tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu đầu vào, với vi phân tích phân tính hiệu theo cơng thức sau 1.1.3 Phương pháp điều chỉnh PID Ziegler Nichols đưa phương pháp thực nghiệm để xác định tham số điều khiển PID Phương pháp thứ dùng mơ hình quán tính bậc đối tượng điều khiển Phương pháp thứ khơng cần đến mơ hình tốn học đối tượn áp dụng cho số đối tượng định Đối với hệ thống cho ta sử dụng phương pháp Ziegler Nichols thư 1.1.3.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ Dựa đáp ứng hệ hở, ta xác định thông số điều khiển PID: Hình 3.1: sơ đồ khối hệ hở Hình 3.2:Đáp ứng hệ hở Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ kín có PID Bộ điều khiển PID Khi ta có bảng tính thơng số PID là: Bộ điều khiển Kp P PI PID Tiến hành khảo sát tìm hệ số viết crip clear all; clc; close; syms s; num= [0.02]; TI TD ∞ 0 den= [0.0165 0.125 0.2246]; p=tf(num,den); step(p); grid on; kết thu sau: Hình 3.4: đồ thị hàm đáp ứng bước nhảy Lúc cửa sổ Figure với hình vẽ giống hình vẽ menu Insert/ Line, Insert/ Text để tiến hành kẽ tiếp tuyến thích cho hình vẽ Kết cuối hình bên : Hình 3.5: Tìm hệ số K, T1, T2 Như ta có hệ số: T1=0.1s T2=0.75s K=0.09 Cách tính thơng số KP, KI, KD khâu PID theo phương pháp Ziegler-Nichols sau: Kp=1.2T2/KT1 KI=Kp/2T1 KD=0.5KpT1 Như ta có : Kp=100 KI=500 II KD=5 Khảo sát phần mềm Simulink tìm thơng số tối ưu Để khảo sát thiết kế với thông số tìm được, ta khởi động simulink từ chương trình matlab Xây xựng hệ thống sau: Hình 3.6: Mơ hình mơ hệ thống sau ta gán hệ số Kp , Ki , Kd vào điều khiển PID sau: - ta đúp chuột vào khối PID sổ điều hướng lên ta diền thơng số tương ứng vào Hình 3.7: Gán hệ số PID sau click chuột vào tune chờ máy xử lý q trình tính tốn Hình 3.8: Dùng tune PID khảo sát điều khiển kết thu sau: Hình 3.9: Kết khảo sát điều khiển đó: đường hiển thị màu xanh đường hiển thị đáp ứng bước nhảy hệ thống ứng với thông số Kp, Ki, Kd tối ưu máy tính tốn, đường kẻ nhạt đường đường hiển thị đáp ứng bước nhảy hệ thống ứng với thông số Kp, Ki, Kd gán vào Như với thông số tính tốn ta thấy độ vọt lố tăng, thời gian độ ngắn với thông số cho ta điều khiển tương đối phù hợp Để lấy thông số chủa điều khiển PID tính, ta click vào ok máy tính tự động gán hệ số Kp, Ki, Kd tính cho điều khiển Hình 3.10: Tối ưu hóa điều khiển PID cuối click vào ok để hồn thành q trình tìm thơng số tối ưu cho bơ điều khiển Cuối có thơng số tối ưu hệ thống, ta khảo sát lại với simulink cho kết quả: ... matlab cơng cụ nhiều ngành sử dụng với nhiều ứng dụng, giao diện làm việc matlab Hình I.2: Giao diện làm việc Matlab II SIMULINK Simulink phần mềm mở rộng matlab ( toolbox matlab) dùng để mơ hình hóa,... học ứng dụng kỹ thuật Phiên dùng R2013a ngày 15 tháng năm 2014 Ứng dụng Matlab dùng rộng rãi giáo dục, phổ biến giải toán số trị (cả đại số tuyến tính lẫn giải tích) nhiều lĩnh vực kĩ thuật Matlab. .. Việc nắm vững cách sử dụng chương trình ngơn ngữ lập trình Matlab lợi không nhỏ bạn sinh viên, với bạn tham gia vào công việc Nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó, cơng cụ simulink có matlab cơng cụ