Đang tải... (xem toàn văn)
MỞ ĐẦU Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,trong đó có sự đóng góp to lớn của ngành điều khiển tự động đã đem lại lợi ích cho con người.Việc phát triển các ngành tự động đã giúp con người thoát khỏi công việc nặng nhọc bằng chân tay,những nơi làm việc độc hại,tăng năng suất lao động…Chính vì thế việc nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tự động luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu đối với các nhà khoa học,các kỹ sư ngành tự động hóa. Thời đại công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ,cùng với nó là các loạt phần mềm hỗ trợ,thì Matlab và Simulink là phần mềm mà ứng dụng của nó trong điều khiển tự động là không nhỏ.Matlab và Simulink là ngôn ngữ mô phỏng đa năng.Mô phỏng các các hệ thống điều khiển tự động trong Matlab cho ta sử dụng mô hình toán học khác nhau của hệ thống loại đối tượng cần khảo sát như dùng hàm truyền đạt,dùng hàm trạng thái dùng mô hình sơ đồ cấu trúc như Simulink.Matlab cho phép ta khảo sát các bộ điều khiển tự động trong miền tần số và thời gian. Với đề tài “Ứng dụng phần mềm Matlab và Simulink để khảo sát tính ổn định của hệ thống ” nhóm em đã vận dụng được những ưu điểm của phần mềm này trong việc giải quyết các yêu cầu của bài toán điều khiển tự động. Sau quá trình học tập rèn luyện và nghiên cứu tại trường,chúng em đã tích lũy được vốn kiến thức để thực hiện đề tài của mình.Cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Th.s LÊ VĂN CHƯƠNG đến nay chúng em đã hoàn thành đề tài với nội dung sau: Chương 1: : Tổng quan về phần mềm Matlab và Simulink Giới thiệu,giao diện sử dụng và một số thao tác chính khi sử dụng của Matlab và Simulink Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của đối tượng điều khiển Khảo sát tính ổn định của hệ thống qua tiêu chuẩn Nyquist,các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống,mô phỏng bằng Simulink. Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển bằng PID Sơ lược về bộ điều khiển PID,đánh giá chất lượng của hệ thống sau khi có bộ điều khiển PID,mô phỏng bằng PID tune
Lời nói đầu Ngày tự động hóa trở thành thiết yếu ngành công nghiêp Để thiết kế mơ hình hệ thống tự đơng hóa nhà máy xí nghiệp người thiết kế cần nắm kiến thức Lý thuyết điều khiển tuyến tinh Một kỹ mà người học cần phải có nhận dạng hệ thống điều khiển biết ổn định mơ hình điều khiển trạng thái ổn định Trong đồ án em xin trình bày cách nhân dạng đối tượng hệ thống điều khiển đệm từ trường cho oto , cách xác định hàm truyền đạt đối tượng từ đáp ứng đầu cho trước từ xác định đối tượng ổn định hay không theo phương pháp học Từ thiết kế điều khiển PID để nâng cao chất lượng đầu hệ thống Tóm tắt Chương I: giới thiệu, tìm hiểu phần mầm Matlab Sữ dụng Matlab vẽ đồ thị 2D 3D Chương II: Tìm hiểu hệ thống đệm từ trường cho oto, phân tích tìm hàm truyền hệ thống đệm từ xe buy, sữ dụng tiêu chuẩn cơng cụ Matlab xét tính ổn định mô hệ thống Chương III: Thiết kệ điều khiển PID cho hệ thống phương pháp PID tuner Nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Chương IV: Tổng Kết Abtract Chapter I: introduction, learn about software Matlab Using Matlab to draw 2D and 3D graphs Chapter II: Learn about magnetic levitation system for oto, analyze and find the transfer function of a system from the car flipped buy, use of standards and tools of Matlab consider stability and system simulation Chapter III: PID controller design for the system by means of PID tuner Toimprove the quality of the system Chapter IV: Summary Mục lục Lời nói đầu Tóm tắt Mục lục Chương I: Matlab Simulink I.Khái quát Matlab Simulink Tìm hiểu Matlab 1.1 Giới thiệu 5 1.2 Mở File New Script Tìm hiểu Simulink II Cơng cụ 10 Tổng quan Control system toolbox 10 Các tính control system toolbox III Nhiệm vụ 12 12 Tìm hiểu phương pháp vẽ đồ thị 2D 3D 1.1 Phương pháp vẽ đồ thị 2D 12 1.2 Phương pháp vẽ đồ thị 3D 15 12 vẽ đồ thị 2D 3D 17 Chương II: Mơ hình hóa hệ thống đệm cho oto 20 I Tìm hiều hệ thống đệm cho oto 20 II Phân tích lực tác dụng lên hệ thống 20 Mơ hình hệ thống đệm xe bt 20 Phân tích lực hình 21 III Xây dựng hàm hàm truyền hệ thống 22 Xây dựng phương trình động 22 Mơ hình chuyển giao chức 22 IV Phân tích mơ hình hàm truyền, khỏa sát tính ổn định tiêu chuẩn Hurwirt 24 Phân tích mơ hình hàm truyền 24 Khảo sát tính ổn định tiêu chuẩn hurwizt 24 Các đáp ứng xung, bước nhảy, đáp ứng since hệ thống theo thời gian Các tiêu chất lượng hệ thống 27 Vẽ đồ thị bode,nyquist 29 Mô simulink 31 Chương III: Thiết kế điều khiển PID I Khái quát điều khiển PID 32 32 II Thiết kế điều khiển PID cho hệ thống 34 Thiết kế điều khiển 34 Sử dụng phương pháp thích hợp để thiết kế điều khiển PID 35 2.1 Thiết kế điều khiển PID tuner Simulink 35 2.2 Sử dụng phương pháp triệt tiêu điểm cực 37 Chương IV: Tổng kết 42 25 Chương I: Matlab Simulink I.Khái quát Matlab Simulink 1.Tìm hiểu Matlab 1.1 Giới thiệu MATLAB (Matrix Laboratory) phần mềm khoa học thiết kế để cung cấp việc tính tốn số hiển thị đồ họa ngơn ngữ lập trình cấp cao Màn hình tiêu chuẩn sau khởi động Matlab: Màn hình tiểu chuẩn bao gồm : - Thư mục - Truy cập tập tin bạn - Command Window - Nhập lệnh dòng lệnh, định dấu nhắc ( >> ) - Không gian làm việc - Khám phá liệu mà bạn tạo nhập từ tập tin - Lệnh Lịch sử - Xem chạy lại lệnh mà bạn nhập vào dòng lệnh 1.2 Mở File New Script Tìm hiểu Simulink Simulink cơng cụ Matlab dùng để mơ hình, mơ phân tích hệ thống động với mơi trường giao diện sử dụng đồ họa Việc xây dựng mơ hình đơn giản hóa hoạt động nhấp chuột kéo thả Simulink bao gồm thư viện khối với hộp cơng cụ tồn diện cho việc phân tích tuyến tính phi tuyến Simulink phần quan trọng Matlab dễ dàng chuyển đổi qua lại trình phân tích, người dùng tận dụng ưu hai môi trường Khởi động Simulink Có thể mở Simulink cách: - C1 Click vào biểu tượng hình (Simulink icon) C2.Từ cửa sổ lệnh, đánh lệnh simulink enter Cửa sổ thư viện Simulink hiển thị hình vẽ Cửa sổ thư viện Simulink bao gồm : - Thư viện - Khung tìm kiếm - Các khối chức * Tạo mơ hình cách: - Click vào icon New modelhoặc gõ Ctrl-N - Menu File +New Model Cửa sổ xây dựng mơ hình xuất hiện: Lấy khối: từ thư viện Simulink chọn khối cần dùng, nhấp chuột vào kéo ra cửa sổ mơ hình Lưu trữ mơ hình lệnh Save (File Save) nhấp vào icon Save Vùng làm việc, xây dựng mơ hình Dịch chuyển khối đơn giản cách nhấp vào khối kéo thả Nối tín hiệu: Đưa chuột tới ngõ khối (dấu “>”), chuột có dạng “+” Kéo rê chuột tới ngõ vào khối khác thả để kết nối tín hiệu Mơ mơ hình: Dùng lệnh Start (Menu Simulation Start) nhấp chuột vào icon Start Xem tín hiệu từ Scope: nhấp đôi vào khối Scope Chỉnh thông số khối cách nhấp đôi vào khối cần chỉnh Trước mơ mơ hình Simulink, cần đặt thông số mô cách chọn menu Simulation Configuration Parameters Ở cửa sổ Configuration Parameters, đặt số thơng số Start time, Stop time(second – giây), phương pháp giải Solver, Solver options, sau nhấn nút OK II Cơng cụ Tổng quan Control system toolbox Control system toolbox thư viện Matlab dùng lĩnh vực điều khiên tự động.Cùng với lệnh Matlab ,tập lênh Control system toolbox sẻ giúp ta thiết kế ,phân tích đánh giá tiêu chất lượng hệ thống tuyến tính Control system toolbox bao gồm : Hệ thống tuyến tính đại diện mơ hình hệ thơng thời gian tuyến tính bất biến - Mơ hình Mơ hình điều chỉnh Các mơ hình với thời gian chậm trể Các thuộc tính mơ hình Mảng mơ hình Mơ hình nối Series ,kết nối song song phản hồi;sơ đồ xây dựng Chuyển đổi mơ hình ,chuyển đổi loại hình,chuyển đổi liên tục ,rời rạc Loại mơ hình chuyển đổi Chuyển đổi liên tục rời rạc Đơn giản hóa mơ hình Nhà nước- phối hợp chuyển đổi Phương thức phân hủy Phân tích tuyến tính thời gian tần số miền phản ứng,lợi nhuận ổn định,độ nhạy tham số Thời gian phân tích –Domain Phân tích tần số-Domain Phân tích ổn định Phân tích độ nhạy Tùy lơ Thiết kế điều khiển ,thiết kế hệ thống điều khiển điều chỉnh,điều chỉnh PID,bộ lọc Kalman PID điều khiển chỉnh SISO Phản hồi Loops Kiểm sốt tuyến tính bậc – Gaussian Vị trí cực Tính tốn ma trận,kiểm sốt khả quan sát ,Lyapunov phương trình Riccati Các tính control system toolbox - Chuyển chức năng, không gian trạng thái, cực-zero-tăng, tần số đáp ứng mơ hình hệ thống tuyến tính - Series, song song, thông tin phản hồi, chung kết nối khối sơ đồ mơ hình tuyến tính - Phản ứng bước, Nyquist cốt truyện, thời gian miền tần số cơng cụ khác để phân tích ổn định hiệu biện pháp - Gốc locus, sơ đồ Bode, LQR, LQG, kiểm soát cổ điển không gian trạng thái kỹ thuật thiết kế hệ thống khác - Tự động điều chỉnh điều khiển PID - Chuyển đổi mơ hình đại diện, liên tục thời gian mơ hình rời rạc, thứ tự thấp xấp xỉ hệ thống bậc cao - LAPACK SLICOT thuật tốn tối ưu hóa cho độ xác hiệu suất III Nhiệm vụ Tìm hiểu phương pháp vẽ đồ thị 2D 3D 1.1 Phương pháp vẽ đồ thị 2D a Các lệnh thường dung - ezplot(‘f(x)’): vẽ biểu thức f=f(x) qua miền xác định plot(x,y): lệnh plot vẽ đồ thị mảng liệu hệ trục thích hợp nối điểm đường thẳng fplot(@((x)f,[a,b): vẽ biều thức f(x) miền giới hạn a