Đang tải... (xem toàn văn)
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.
Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen 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 chuyền Tự Động Hóa hoạt động ổn định, hiệu 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. Dựa trên những phương pháp hiện đại của lí thuyết điều khiển tự động. Đồ án này của em sẽ nêu ra các các đường đặc tính thời gian,đặc tính tần số của lò điện trở. Thiết kế các bộ điều khiển P, PI, PID để nâng cao chất lượng đầu ra của hệ thống.Ngoài ra còn thiết kế ứng dụng cho lò điện trở có tải và không tải. Mặc dù rất cố gắng nhưng do kiến thức còn hạn chế nên em không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được nhiều hơn nữa sự đóng góp của cô và các bạn để cho đồ án của em ngày càng hoàn thiện hơn. Em xin cảm ơn cô giáo Phạm Thị Hương Sen - Giáo viên bộ môn của khoa Công nghệ Tự động trường Đại học Điện Lực ,người đã giúp đỡ em trong suốt thời gian làm đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên Lưu Trọng Hiếu D7-CNTĐ 2 SVTH:Lưu Trọng Hiếu 1 Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen MỤC LỤC SVTH:Lưu Trọng Hiếu 2 Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen ĐỀ BÀI Cho đối tượng là lò điện trở có hàm truyền đạt W(s) = Yêu cầu 1.Vẽ và phân tích các đường đặc tính thời gian,đặc tính tần số của lò điện trở. 2. Thiết kế bộ điều khiển cho lò điện trở sử dụng các luật điều khiển -P -PI -PID 3.Thiết kế bộ điều khiển cho lò điện trở trong trường hợp lò có tải.Biết đặc tính của tải có dạng xung vuông, độ rộng xung 40s,chu kì 50s. (STT.21) SVTH:Lưu Trọng Hiếu 3 STT T 1 T 2 K 21 10*21 100 0 15*21 Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen CHƯƠNG I:ĐẶC TÍNH THỜI GIAN-TẦN SỐ CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ 1.Hàm truyền đạt của hệ thống. Với STT.21 ta có w = = Khai báo trong matlap >> w= tf([315],[21000 310 1]) Transfer function: 315 21000 s^2 + 310 s + 1 2. Đặc tính thời gian của hệ thống. Đặc tính thời gian của hệ thống mô tả sự thay đổi tín hiệu đầu ra của hệ thống khi tín hiệu đầu vào là hàm xung đơn vị hay hàm đi-rắc đơn vị. 2.1. 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). Thực hiện trên matlap >> step (w) >> grid on SVTH:Lưu Trọng Hiếu 4 Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen Step Response Time (sec) Amplitude 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 50 100 150 200 250 300 350 System: w Peak amplitude >= 314 Overshoot (%): 0 At time (sec) > 1.4e+003 System: w Settling Time (sec): 957 System: w Rise Time (sec): 537 Hình 1.1:Hàm quá độ • Nhận xét -Do bậc của tử nhỏ hơn bậc của mẫu nên đường h(t) xuất phát từ gốc tọa độ. - h(t) tiến đến giá trị xác lập là 314s. - Thời gian tăng tốc (Rise time) là thời gian đáp ứng của hệ thống tăng từ 10% đến 90% giá trị xác lập: t r = 537s. -Thời gian quá độ(settling time) của hệ thống được xác định từ thời điểm có sự thay đổi ở đầu vào đến khi đáp ứng đầu ra lọt hoàn toàn vào hành lang giới hạn cho phép Δ = 2% : 957s. -Độ quá điều chỉnh (Overshoot) σ = 0%,sai số xác lập δ = 0. 2.2. 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 Thực hiện >> impulse w(s) SVTH:Lưu Trọng Hiếu 5 Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen Impulse Response Time (sec) Amplitude 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 System: w Settling Time (sec): 1.1e+003 System: w Peak amplitude: 0.764 At time (sec): 142 Hình1.2: Hàm trọng lượng • Nhận xét - Thời gian quá độ (Settling time): 1100s - Biên độ đỉnh ( Peak amplitude): 0.764. 3. 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 Đặc tính nyquist là mô tả đường đặc tính W(jω) SVTH:Lưu Trọng Hiếu 6 Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen Đường đặc tính đồ thị bode;là đường đặc tính tần biên pha trên tham logarit Thực hiện 3.1.Đặc tính Nyquist. Là đồ thị biểu diễn đặc tính tần số W(jω) trong hệ tọa độ cực ( phần thực P(ω),phần ảo Q(ω)) khi ω thay đổi từ - ∞ → + ∞. >> nyquist(w) Nyquist Diagram Real Axis Imaginary Axis -50 0 50 100 150 200 250 300 350 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 System: w Peak gain (dB): 50 Frequency (rad/sec): 9.52e-015 System: w Real: -4.09 Imag: -1.04 Frequency (rad/sec): 0.0595 Hình 1.3:Đồ thị Nyquist • Nhận xét: - Do lò điện trở có hàm truyền đạt là 2 khâu bậc nhất nên đồ thì Nyquist đi qua cả 4 góc phần tư khi ω tăng từ 0→ +∞. - Hàm truyền đạt của vòng hở có nghiệm cực năm bên phải mặt phẳng phức. Biểu đồ Nyquist bao điểm N(-1 j0). - Hệ kín ổn định. SVTH:Lưu Trọng Hiếu 7 Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen 3.2.Đồ thị bode. Là đồ thị gồm hai thành phần; - Biểu đồ Bode biên độ: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa logarith của đáp ứng biên độ L(ω) theo tần số ω. L(ω) = 20lgA(ω). L(ω) là đáp ứng biên độ tính theo đơn vị dB (decibel). - Biểu đồBode pha: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa đáp ứng pha theo tần số.Đặc tính tần số của hệ thống có các thông số quan trọng sau đây: - Đỉnh cộng hưởng(A p ): là giá cực đại của A(ω). Tần số cộng hưởng (ω p ): là tần số tại đó có đỉnh cộng hưởng. Tần số cắt biên (ω c ): là tần số tại đó biên độ của đặc tính tần số bằng 1 ( hay bằng 0 dB).A(ω c ) = 1 hay L(ω c ) = 0. Tần số cắt pha (ω -п ): là tần số tại đó pha của đặc tính tần số bằng –п ( hay -180 o ). Thực hiện: >> bode(w) >> margin(w) SVTH:Lưu Trọng Hiếu 8 Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen -40 -20 0 20 40 60 Magnitude (dB) 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 -180 -135 -90 -45 0 Phase (deg) Bode Diagram Gm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = 6.91 deg (at 0.122 rad/sec) Frequency (rad/sec) Hình 1.4: Đồ thị Bode • Nhận xét - Hệ thống gồm 1 khâu khuếch đại ,hai khâu quán tính bậc 1 - Độ dự trữ biên , tại tần số cắt biên ω c = rad/s - Độ dự trữ pha , tại tần số cắt phaω -п = 0.122 rad/s - Hệ kín ổn định. SVTH:Lưu Trọng Hiếu 9 Wh(s) Wph(s) r(t) E(t) Y(t) (-) Đồ án:Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 1. 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) SVTH:Lưu Trọng Hiếu 10 [...]... SVTH:Lưu Trọng Hiếu 14 Đồ án: Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen 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: Thực hiện trên matlap: Hình 2.7:Mô hình điều khiển PID 3 Một số... sẽ tham khảo cách dùng bộ điều khiển PID controller để thiết kế các bộ điều khiển Sơ đồ như hình vẽ 4.2.1.Thiết kế bộ điều khiển P SVTH:Lưu Trọng Hiếu 25 Đồ án: Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen Kích chọn vào biểu tượng PID Controller xuất hiện: Chọn controller P Trong mục Proportional(P) chọn Kp = 0.0015, mục Intergral(I) chọn 0, mục Deriative (D) chọn 0.Sau đó ấn Apply và ấn tune,ta... kế bộ điều khiển PI -Tương tự như bộ điều khiển P ta sẽ chọn các thông số và hiệu chỉnh sao cho phù hợp nhất.Chọn KI = 0.00652;Kp= 2.38867470697141e-005 ta được : SVTH:Lưu Trọng Hiếu 27 Đồ án: Lý thuyết điều khiển tự động GVHD:Phạm Thị Hương Sen Nhận xét: + Thời gian quá độ: 793s, Độ quá điều chỉnh:7.66% > num=315; >> den=[21000 310 1]; >> w=tf(num,den); >>Kp=0.047023; >>w1=ss(w);... nên trong matlap bộ PID controller được thiết kế sử dụng là PIDF vì thế ta sẽ áp dụng luôn vào trong đồ án để tham khảo -Chọn KI = 0.084, KP= 0.003063, KD = 5.0707 ta được SVTH:Lưu Trọng Hiếu 28 Đồ án: Lý thuyết điều khiển tự động • GVHD:Phạm Thị Hương Sen Nhận xét: Thời gian quá độ 57.2; độ quá hiệu chỉnh 8.79 % . là thời gian hiệu chỉnh hay thời gian tác động trễ. =: thời gian tác động sớm. Đồ thị bode: Hình 2.6: Đồ thị bode của khâu PID Nhận xét: Đây là quy luật điều khiển hoàn hảo nhất, nhanh và chính. GVHD:Phạm Thị Hương Sen Thời gian quá độ(Settling Time): là khoảng thời gian được xác định từ thời điểm có sự thay đổi ở đầu vào đến khi đáp ứng lọt hoàn toàn vào hành lang sai số cho phép Hình. số cho phép Hình 2.3 Các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống Thời gian tăng tốc (Rise Time): thời gian lên đỉnh = thời gian đáp ứng của hệ thống tăng từ 10% đến 90% giá trí xác lập của nó. 2.