Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Giảng viên hướng dẫn : Th.S LÊ THỊ VÂN ANH Sinh viên thực : ĐẶNG NGỌC TUYẾT Ngành : CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG Lớp : Đ7.CNTĐ1 Khoá : 2012-2017 Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ĐỒ ÁN MÔN HỌC LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 1: XÂY ĐỰNG HÀM TRUYỀN ĐẠT CỦA HỆ THỐNG I Giới thiệu Hàm truyền đạt Phần mềm MATLAB SIMULINK lý thuyết điều khiển tự động II Cách xác định hàm truyền đạt Cơ sở xây đựng hàm truyền đạt Các dạng hàm độ Xác đinh hàm truyền đạt CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU I.Khái niệm II.Các hàm đặc tính 1.Đặc tính theo thời gian 2.Đặc tính tần số III Khảo sát động học động sử dụng MATLAB CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN P, PI, PID I Giới thiệu chung II Tổng hợp điều khiển P,PI, PID cho vòng điều chỉnh vị trí không tải III Mô động với luật điều khiển trường hợp tải không đổi đặt vào động Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh LỜI NÓI ĐẦU Trong trình công nghiệp hóa đại hóa đất nước nay, Tự Động Hóa có mặt ngày nhiều nhà máy, xí nghiệp đời sống hàng ngày Trong công nghiệp, Tự Động Hóa làm tăng xuất, chất lượng sản phẩm với thời gian ngắn mà lại tốn nhân công Trong đời sống, làm cho sống người tiện nghi Để dây truyền Tự Động Hóa hoạt động ổn định, hiều quả, cần xác định thông số, tiêu chất lượng, thiết kế cấu trúc hệ thống cách tối ưu đặc biệt phải thiết kê điều khiển giúp cho hệ thống hoạt động ổn định xác Dựa phương pháp đại lí thuyết điều khiển tự động Đồ án em nêu cách nhận dạng đối tượng, xác định hàm truyền đạt đối tượng từ đáp ứng đầu cho trước từ khảo sát động học động cơ.Tổng hợp điều khiển P, PI, PID cho vòng điều chỉnh vị trí đồng thời mô hệ thống với quy luật điều khiển trường hợp tải không đổi đặt vào động sau khởi động 4(s) Trong trình thực đồ án em nhận nhiều giúp đỡ thầy cô bạn lớp có góp ý cho đồ án em hoàn thiện Mặc dù cố gắng kiến thức hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận nhiều đóng góp, bổ xung ý kiến thầy cô bạn đồ án ngày hoàn thiện Em xin cảm ơn cô giáo Lê Thị Vân Anh, người giúp đỡ em suốt thời gian làm đồ án Em xin trân thành cảm ơn ! Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh ĐỒ ÁN MÔN HỌC LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Số thứ tự: 56 Yêu cầu: Cho động điện chiều biết cấp đầu vào điện áp 100 (V) đáp ứng tốc độ (rad/s) thu có dạng sau: Xác định hàm truyền đạt điện áp phần ứng góc quay động Từ hàm truyền thu khảo sát động học động sử dụng MATLAB Tổng hợp điều khiển P, PI, PID cho vòng điều chỉnh vị trí mô SIMULINK Mô hệ thống với luật điều khiển trường hợp tải không đổi đặt vào động sau khởi động 4(s) Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh CHƯƠNG 1: XÂY ĐỰNG HÀM TRUYỀN ĐẠT CỦA HỆ THỐNG I Giới thiệu Hàm truyền đạt Hàm truyền đạt hệ thống tỷ số tín hiệu với tín hiệu vào hệ thống Biểu diễn theo biến đổi laplace với điều kiện đầu vào Dạng tổng quát hàm truyền đạt: 111Equation Chapter (Next) Section 1212Equation Chapter (Next) Section B(s ) = A( s ) m b s +b s a s +a s n m−1 n −1 W(s)= + L + b m−1s + b m + L + a n −1s + a n Trong đó: - Thông thường m> step(sys) ( lệnh vẽ hàm độ) >>impulse(sys)(lệnh vẽ hàm trọng lượng) Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 13 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh >> ffplot(sys) (lệnh vẽ đặc tính tần biên pha) >> nyquist(sys) (lệnh vẽ biểu đồ nyquist) Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 14 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh >> bode(sys) (lệnh vẽ biểu đồ bode) Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 15 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN P, PI, PID I Giới thiệu chung Quy luật P Tín hiệu điều khiển quy luật điều khiển theo công thức: w( p ) = K P Trong Kp hệ số khuếch đại quy luật Theo tính chất khâu khuếch đại (hay khâu tỷ lệ) ta thấy tín hiệu khâu luôn trùng pha với tín hiệu vào Điều nói lên ưu điểm khâu khuếch đại có độ tác động nhanh Vì vậy, công nghiệp, quy luật tỉ lệ làm việc ổn định với đối tượng Tuy nhiên, nhược điểm khâu tỉ lệ sử dụng với đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển tồn sai lệch tĩnh Để giảm giá trị sai lệch tĩnh phải tăng hệ số khuếch đại đó, tính dao động hệ thống tăng lên làm hệ thống ổn định Quy luật PID Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa triệt tiêu sai lệch dư, người ta kết hợp quyluật tỉ lệ với quy luật tích phân để tạo quy luật tỉ lệ - tích phân Hàm truyền có dạng : Trong đó: Kp hệ số khuếch đại TI = KP/ KI số thời gian tích phân Tín hiệu chậm pha tín hiệu vào góc nằm khoảng –π/2 đến phụ thuộc vào tha số Kp TI tần số tín hiệu vào Như tốc độ tác động quy luật tỉ lệ tích phân PI chậm quy luật tỉ lệ P nhanh quy luật tích phân I (tín hiệu chậ pha tín hiệu vào góc –π/2) Trong thực tế, quy luật điều khiển PI sử dụng rộng rãi đáp ứng chất lượng cho hầu hết trình công nghệ Tuy nhiên, có thành phần tích phân nên độ tác động quy luật bị chậm Vì vậy, đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà hệ thống điều khiển lại đòi hỏi độ xác cao quy luật PI không đáp ứng Quy luật PID Để tăng tốc độ tác động quy luật PI, thành phần người ta ghép thêm thành phần vi phân nhận quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân Có thêm thành phần vi phân làm tăng tốc độ tác động hệ thống Hàm truyền có dạng : Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 16 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Trong đó: KP hệ số khuếch đại TI = KP /KI số thời gian tích phân TD = KD KP số thời gian vi phân Tín hiệu lệch pha so với tín hiệu vào gốc nằ khoảng –π/2 đến π/2 phụ thuoccj vào tham số KD , TI, TD tần số tín hiệu vào Nghĩa tốc độ tác động quy luật tỉ lệ vi tích phân PID nhanh quy luật tỉ lệ P Do nói quy luật tỉ lệ vi tích phân PID hoàn hảo Nó đáp ứng chất lượng hầu hết quy trình công nghệ Tuy nhiên việc điều chỉnh tha số có nhiều phức tạp đòi hỏi người sử dụng phải có hiểu biết định Vì công nghiệp quy luật tỉ lệ vi tích phận sử dụng nơi cần thiết quy luật PI không đáp ứng yêu cầu chất lượng điều chỉnh II Tổng hợp điều khiển P,PI, PID cho vòng điều chỉnh vị trí không tải Đối tượng có hàm truyền đạt W’(s) = có chứa khâu tích phân nên ta áp dụng phương pháp Zeigler Nichols để tìm điều khiển mong muốn Phương pháp thay điều khiển PID hệ kín khếch đại, sau tăng K hệ nằm biên giới ổn định tức hệ kín trở thành khâu dao động điều hòa Lúc ta có Kgh chu kì dao động Tgh Tham số điều khiển PID chọn theo bảng sau: Bộ điều khiển Kp TI TD P 0,5 Kgh ∞ PI 0,45 Kgh 1/1,2 Tgh PID 0,6 Kgh 0,5 Tgh 0,125 Tgh Mô điều khiển P, PI, PID trện Simulink Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 17 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Ta cài đặt thông số cho mô hình điều khiển PID • • • • • Đặt góc quay động đầu khối Step : Fianl Value : 100 Đặt giá trị Gain1 (KI) = Gain2 (KD) = Đặt thông số khai báo hàm trễ khối Transport Delay Time Delay: 0,9 Khối Saturation khối bão hòa cài đặt với thông số tùy chọn Chọn - Upper Limit : 500 - Lower Limit : -500 Chọn giá trị Gain (Kp) cho hàm Scop có dạng dao động điều hòa Lấy Kp = 2,29 cho chạy mô hình mô SIMULINK ta đầu khối Scop có dạng: Suy ra: Tgh= 6,6 (s) Ta có thông số điều khiển P, PI, PID : Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 18 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Bộ điều khiển Kp TI TD P 1,145 ∞ PI 1,0305 5,5 PID 1,374 3,3 0,825 Suy ra: Thật vậy: • Bộ điều khiển P: Kp= 1,145 , KD=KI=0 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 1,49 + Thời gian độ (Settling Time): 26 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 54,8 • Bộ điều khiển PI Kp= 1,145 , KD= 0,18736 , KI=0 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 1,35 + Thời gian độ (Settling Time): 58,6 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 98,8 • Bộ điều khiển PID: Kp= 1,145 , KD= 0,18736 , KI=1,13355 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 0,971 + Thời gian độ (Settling Time): 13,4 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 33,7 Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 19 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Vậy điều khiển P, PI , PID vừa rìm đưa vào trình sử dụng  Giả sử:  Trường hợp 1: giảm giá trị Kp Lấy Kgh1 =2 , chu kì Tgh không đổi Bộ điều khiển Kp1 TI1 TD1 P ∞ PI 0,9 5,5 PID 1,2 3,3 0,825 Suy ra: Thật vậy: • Bộ điều khiển P: Kp= , KD=KI=0 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 1,49 + Thời gian độ (Settling Time): 26 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 54,8 • Bộ điều khiển PI Kp= , KD= 0,16364 , KI=0 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 1,49 + Thời gian độ (Settling Time): 39,9 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 89,2 Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 20 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh • Bộ điều khiển PID: Kp= , KD= 0,16364 , KI=0,99 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 1,14 + Thời gian độ (Settling Time): 13,4 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 27,4  Trường hợp 2: tăng giá trị Kgh Lấy Kgh2= 2,4 , chu kì Tgh không đổi Bộ điều khiển Kp2 TI2 TD2 P 1,2 ∞ PI 1,08 5,5 PID 1,44 3,3 0,825 Suy ra: • Bộ điều khiển P: Kp= 1,2 , KD=KI=0 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 1,44 + Thời gian độ (Settling Time): 29,1 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 58,3 Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 21 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh • Bộ điều khiển PI Kp= 1,2 , KD= 0,19636 , KI=0 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 1,31 + Thời gian độ (Settling Time): 69,8 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 103 • Bộ điều khiển PID: Kp= 1,2 , KD= 0,19636 , KI=1,188 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 0,92 + Thời gian độ (Settling Time): 13,3 + Độ điều chỉnh (Overshoot) : 36,5 Ta có bảng so sánh sau: Tham số Kp=1 KD=0,16364 KI= 0,99 Kp=1,145 KD=0,18736 KI= 1,1335 Rise Time 1,66 1,49 P(Kp tăng) Settling Over Time shoot 19,7 44,8 26 54,8 PI( KD tăng) Rise Settling Over Time Time shoot 1,49 39,9 89,2 Rise Time 1,14 PID(KI tăng) Settling Over Time shoot 13,9 27,4 1,35 0,971 13,4 Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 22 58,6 98,8 33,7 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Kp=1,2 1,44 KD=0,19636 KI=1,188 Đánh giá Giảm Kp ,KD, KI tăng dần 29,1 58,3 1,31 69,8 103 0,92 13,3 36,5 Tăng Tăng Giảm Tăng Tăng Giảm Giảm Tăng Vậy tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng mà ta tăng giảm giá trị K p , KD ,KI để hệ thống hoạt động tốt IV Mô động với luật điều khiển trường hợp tải không đổi đặt vào động sau 80s Chọn Kgh= 2,29 với tham số để mô động cơ: Ta có mô hình mô SIMULINK: Ta dùng hàm Step để cài đặt thong số cho tải không đổi : Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 23 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Khi ta mô SIMULINK với luật điều khiển P,PI ,PID ta có đầu Scope:  Bộ điều khiển P:  Bộ điều khiển PI: Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 24 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh  Bộ điều khiển PID: Ta thấy : điều khiển P, PI , PID + Trước 80(s) : động dao động tắt dần dần vào trạng thái ổn định + Bắt đầu từ giây 80 (s) : Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 25 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Khi đặt tải không đổi vào động cơ, động chịu lực cản thắng lại momen quay động với giá trị góc quay lực cản 5(rad/s2), ngược chiều với momen quay động cơ.Lực cản tải không đổi sinh làm hệ dao động không ổn định Ngay sau đó, hệ thống nhận lại phản hồi âm từ đâu phẩn hồi lại đầu vào để diều chỉnh góc quay tăng lên lượng bù lại giá trị lực cản Từ hệ bắt đầu dao động tắt dần vào ổn định lại biên độ 100(rad/s2) Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 26 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu thí nghiệm Lý thuyết điều khiển tự động , Th.s Phạm Thị Hương Sen – Th.s Lê Thị Vân Anh, Trường đại học Điện Lực Lý thuyết điều khiển tự động , Th.s Phạm Thị Hương Sen – Th.s Lê Thị Vân Anh, Trường đại học Điện Lực Phạm Công Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động; NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1996 Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 27 [...]... viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Tài liệu thí nghiệm Lý thuyết điều khiển tự động , Th.s Phạm Thị Hương Sen – Th.s Lê Thị Vân Anh, Trường đại học Điện Lực 2 Lý thuyết điều khiển tự động , Th.s Phạm Thị Hương Sen – Th.s Lê Thị Vân Anh, Trường đại học Điện Lực 3 Phạm Công Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động; NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1996 Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_... lượng điều chỉnh II Tổng hợp bộ điều khiển P,PI, PID cho vòng điều chỉnh 3 vị trí không tải Đối tượng có hàm truyền đạt W’(s) = có chứa khâu tích phân nên ta áp dụng phương pháp Zeigler Nichols 2 để tìm được bộ điều khiển mong muốn Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khếch đại, sau đó tăng K cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định tức là hệ kín trở thành khâu dao động điều hòa... hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Khi ta mô phỏng trên SIMULINK với 3 luật điều khiển P,PI ,PID ta có đầu ra Scope:  Bộ điều khiển P:  Bộ điều khiển PI: Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 24 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh  Bộ điều khiển PID: Ta thấy : trong cả 3 bộ điều khiển P, PI , PID + Trước 80(s) : động cơ dao động tắt dần và đi dần vào trạng thái ổn định + Bắt đầu từ giây 80... Anh CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU I Khái niệm 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... KI=1,188 Đánh giá khi Giảm Kp ,KD, KI tăng dần 29,1 58,3 1,31 69,8 103 0,92 13,3 36,5 Tăng Tăng Giảm Tăng Tăng Giảm Giảm Tăng Vậy tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng mà ta có thể tăng hoặc giảm giá trị của K p , KD ,KI để hệ thống hoạt động được tốt nhất IV Mô phỏng động cơ với 3 luật điều khiển trong trường hợp tải không đổi và đặt vào động cơ sau 80s Chọn Kgh= 2,29 với các tham số để mô phỏng động cơ: Ta... hiệu vào theo tác động tần số thay đổi W ( jω ) Hàm truyền tần số là 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) Đường đặc tính đồ thị bode là đường đặc tính tần biên pha trên tham logarit III Khảo sát động học của động cơ sử dụng MATLAB Ta sử dụng các câu lệnh trong MATLAB khảo sát động học của động cơ với hàm W’(s)... vào động cơ, động cơ sẽ chịu một lực cản thắng lại momen quay của động cơ với giá trị của góc quay lực cản là 5(rad/s2), và ngược chiều với momen quay của động cơ.Lực cản do tải không đổi sinh ra làm hệ dao động không ổn định Ngay sau đó, hệ thống nhận lại được phản hồi âm từ đâu ra phẩn hồi lại đầu vào để diều chỉnh góc quay tăng lên một lượng bù lại giá trị của lực cản Từ đó hệ bắt đầu dao động. .. và chu kì dao động đó là Tgh Tham số của bộ điều khiển PID chọn theo bảng sau: Bộ điều khiển Kp TI TD P 0,5 Kgh ∞ 0 PI 0,45 Kgh 1/1,2 Tgh 0 PID 0,6 Kgh 0,5 Tgh 0,125 Tgh Mô phỏng bộ điều khiển P, PI, PID trện Simulink Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 17 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh Ta cài đặt các thông số cho mô hình bộ điều khiển PID • • • • • Đặt góc quay của động cơ đầu trong... Vậy bộ điều khiển P, PI , PID vừa rìm được có thể đưa vào quá trình sử dụng  Giả sử:  Trường hợp 1: giảm giá trị của Kp Lấy Kgh1 =2 , chu kì Tgh không đổi Bộ điều khiển Kp1 TI1 TD1 P 1 ∞ 0 PI 0,9 5,5 0 PID 1,2 3,3 0,825 Suy ra: Thật vậy: • Bộ điều khiển P: Kp= 1 , KD=KI=0 + Thời gian tăng tốc (Rise Time) : 1,49 + Thời gian quá độ (Settling Time): 26 + Độ quá điều chỉnh (Overshoot) : 54,8 • Bộ điều. .. nyquist(sys) (lệnh vẽ biểu đồ nyquist) Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 14 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh >> bode(sys) (lệnh vẽ biểu đồ bode) Sinh viên thực hiện: Đặng Ngọc Tuyết_ Đ7.CNTD1 15 Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lê Thị Vân Anh CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN P, PI, PID I Giới thiệu chung 1 Quy luật P Tín hiệu điều khiển trong quy luật được điều khiển theo công thức: w(