14
Mô hình hệ thống điều khiển tự động Bởi: unknown MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG MỤC TIÊU Trong bài thí nghiệm này chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp mô hình hóa một hệ điều khiển tự động, bao gồm: Hàm truyền và phương trình trạng thái của hệ thống Đáp ứng vòng hở và đáp ứng vòng kín của hệ thống Xây dựng bộ điều khiển PID Chỉnh định thông số của bộ đỉều khiển và khảo sát đáp ứng của hệ thống. Hình 5.1 – Một mô hình hệ thống điều khiển tiêu biểu THAM KHẢO [1]. The Mathworks Inc., Matlab Notebook User’s Guide – Control toolbox, 2003. [2]. Phạm Văn Tấn, Bài giảng môn Cơ sở Tự động học, Bộ môn Viễn Thông và Tự động hóa, khoa Công nghệ Thông tin, Đại học Cần Thơ, 2001. [3]. Nguyễn Công Định, Phân tích và Tổng hợp các hệ thống Điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002. Mô hình hệ thống điều khiển tự động 1/14

Mô Hình Hệ Thống Điều Khiển Tự Động

Embed Size (px)

DESCRIPTION

mô hình hệ thống

Citation preview

  • M hnh h thng iu khint ng

    Bi:

    unknown

    M HNH H THNG IU KHIN T NG

    MC TIU

    Trong bi th nghim ny chng ta s tm hiu phng php m hnh ha mt h iukhin t ng, bao gm:

    Hm truyn v phng trnh trng thi ca h thng p ng vng h v p ng vng kn ca h thng Xy dng b iu khin PID Chnh nh thng s ca b u khin v kho st p ng ca h thng.

    Hnh 5.1 Mt m hnh h thng iu khin tiu biu

    THAM KHO

    [1]. The Mathworks Inc., Matlab Notebook Users Guide Control toolbox, 2003.

    [2]. Phm Vn Tn, Bi ging mn C s T ng hc, B mn Vin Thng v T ngha, khoa Cng ngh Thng tin, i hc Cn Th, 2001.

    [3]. Nguyn Cng nh, Phn tch v Tng hp cc h thng iu khin bng my tnh,NXB Khoa hc v K thut, 2002.

    M hnh h thng iu khin t ng

    1/14

    www.princexml.comPrince - Non-commercial LicenseThis document was created with Prince, a great way of getting web content onto paper.

  • [4]. http://www.engin.umich.edu/group/ctm

    [5]. http://www.shu.ac.uk/schools/eng/teaching/rw/pidtutorial.htm

    THC HNH

    c th thc hin tt bi th nghim, sinh vin cn nm vng cc kin thc c bn viu khin t ng (C s t ng hc). Do , bi ny khng bt buc i vi cc sinhvin Tin hc (nu c) v cc sinh vin in t theo hng Vin thng. Trong trnghp , c th sinh vin thc tp bi 4 hoc sinh vin c th chuyn sang bi 7.

    Hm truyn v phng trnh trng thi ca h thng

    Trong iu khin t ng, ngi ta thng biu din mt h thng vt l bng hmtruyn (transfer function) hay phng trnh trng thi (state-space equation) ca n (ivi cc h phi tuyn, t c iu ny, ngi ta phi dng phng php tuyn tnhha tng on).

    Gi s c h thng iu khin tc motor DC nh hnh v 5.2 [4]. Trong :

    J = 0.01 kgm2/s2 l moment qun tnh ca rotor

    b = 0.1 Nms h s ma st

    K=Ke=Kt=0.01 Nm/Amp cc hng s sc in ng

    R = 1 ohm in tr

    L = 0.5 H in cm

    I: dng in chy trong cun dy ca motor

    V: in p trn hai u cun dy motor ng vo

    : v tr trc ng ra

    Hnh 5.2 M hnh ton mt h iu khin tc motor DC

    M hnh h thng iu khin t ng

    2/14

    http://www.engin.umich.edu/group/ctmhttp://www.shu.ac.uk/schools/eng/teaching/rw/pidtutorial.htm

  • Phng trnh vi phn m t h thng nh sau:

    Jd2

    dt2+ bddt = Ki

    Ldidt + Ri = V Kddt

    1. Hm truyn: Bin i Laplace 2 v ca phng trnh trn ta c:

    s(Js+b)(s) = KI(s)(Ls+R)I(s) = V Ks(s)

    Suy ra: [(Ls+R)(Js+b) + K2]s = KV hay V = K(Ls+R)(Js+b) + K2

    Biu din hm truyn ny trong Matlab ta thc hin nh sau (sinh vin nn lu thnhfile.m):

    >>J=0.01;

    >>b=0.1;

    >>K=0.01;

    >>R=1;

    >>L=0.5;

    >>num=K; % t s ca hm truyn

    >>den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; % mu s hm truyn

    >>hamtruyen = tf(num,den)

    p ng bc vng h:

    >>step(num,den) % hoac

    >>step(hamtruyen)

    M hnh h thng iu khin t ng

    3/14

  • p ng xung vng h:

    >>impulse(hamtruyen)

    2. Phng trnh trng thi: Dng tng qut:

    X = AX + BU

    Y = CX+DU

    vi X l vct trng thi, U l vct tn hiu vo v Y l vct tn hiu ra.

    Bin trng thi v phng trnh trng thi: T phng trnh vi phn m t hthng, nu t x1 = v x2 = i, ta c:

    M hnh h thng iu khin t ng

    4/14

  • Biu din phng trnh trng thi trong Matlab nh sau:

    >>J=0.01;

    >>b=0.1;

    >>K=0.01;

    >>R=1;

    >>L=0.5;

    >>A = [-b/J K/J; -K/L -R/L];

    >>B = [0; 1/L];

    >>C=[1 0];

    >>D=0;

    p ng bc vng h:

    >>step(A,B,C,D)

    p ng xung vng h:

    >>impulse(A,B,C,D)

    3. Ta c th chuyn i qua li gia hm truyn v phng trnh trng thi bng lnhsau:

    >>[num,den]=ss2tf(A,B,C,D) % t PT trng thi sang hm truyn

    >>[A,B,C,D]=tf2ss(num,den) % t hm truyn sang PT trng thi

    4. Kho st p ng vng h ca h thng i vi tn hiu bt k

    M hnh h thng iu khin t ng

    5/14

  • (Hnh 5.3)

    Phi m bo rng trong Workspace cn bin hamtruyen ca cu 1, sinh vin c thdng lnh lsim kho st p ng ca h i vi tn hiu bt k. Gi s l tn hiusin:

    >>close all

    >>t=0:0.1:2*pi;

    >>u=sin(pi/4*t);

    >>lsim(hamtruyen,u,t) % mo phong dap ung voi tin hieu vao u

    B iu khin PID

    Cu trc mt h thng iu khin PID nh hnh sau:

    Hnh 5.4 S khi h iu khin PID

    Trong hm truyn ca khu PID l: KP +KIs + KDs =

    KDs2 + KPs + KI

    s

    vi: KP l li ca khu t l (Proportional gain)

    M hnh h thng iu khin t ng

    6/14

  • KI l li ca khu tch phn (Integral gain)

    KD l li khu vi phn (Derivative gain)

    Vic hiu chnh ph hp 3 thng s KP, KI v KD s lm tng cht lng iu khin.nh hng ca 3 thng s ny ln h thng nh sau:

    1. B iu khin t l P:

    Hnh 5.5 B iu khin t l P

    Thc hin trong Matlab: Ta c hm truyn ca motor DC nh III.1.1:

    >>J=0.01;

    >>b=0.1;

    M hnh h thng iu khin t ng

    7/14

  • >>K=0.01;

    >>R=1;

    >>L=0.5;

    >>num=K;

    >>den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)];

    Khi thm vo khu t l P, ta c hm truyn vng h:

    >>Kp=100;

    >>numa=Kp*num;

    >>dena=den;

    Xc nh hm truyn vng kn ca h thng ta dng lnh cloop:

    >>[numac,denac]=cloop(numa,dena)

    p ng Step vng kn ca b iu khin t l nh sau:

    >>t=0:0.01:2;

    >>step(numac,denac)

    M hnh h thng iu khin t ng

    8/14

  • Sinh vin hy so snh vi p ng ca h khi cha c b iu khin t l, cuIII.1.1 (lu n cc thng s: thi gian ln, vt l, thi gian qu ).

    Tng t, sinh vin hy so snh vi p ng xung.

    2. B iu khin Vi tch phn t l PID:

    Hnh 5.6 B iu khin PID

    Khi thm b iu khin PID, hm truyn h ca h thng l:

    >>Kp=100;

    >>Ki=1;

    >>Kd=1;

    >>numc=[Kd, Kp, Ki];

    >>denc=[1 0];

    >>numa=conv(num,numc); % tch chp t s

    M hnh h thng iu khin t ng

    9/14

  • >>dena=conv(den,denc); % tch chp mu s

    Hm truyn vng kn hi tip m n v:

    >>[numac,denac]=cloop(numa,dena);

    p ng Step ca h iu khin PID:

    >>step(numac,denac)

    Sinh vin so snh vi p ng ca b iu khin t l P cu 1, nhn xt. Da vo bng tng kt nh hng ca KP, KD v KI i vi h thng iu

    khin, sinh vin hy thay i 3 thng s ny v kim chng p ng ca hthng.

    Hiu chnh thng s ca b iu khin PID

    Mt phng php c in nhng n gin v hiu qu chnh nh 3 thng s KP, KIv KD ca b iu khin PID l phng php Ziegler-Nichols (Ziegler Nichols TuningMethod). Th tc chnh nh nh sau:

    1. Ch iu khin h thng bng b iu khin t l KP (t KI=KD=0).

    2. Tng KP n gi tr KC m h thng bt u bt n (bt u xut hin s giaong - im cc ca hm truyn kn nm trn trc o j). Xc nh tn s c ca giaong va t.

    T 2 gi tr KC v c va t, cc thng s s KP, KI v KD c xc nh nh bngsau:

    M hnh h thng iu khin t ng

    10/14

  • 3. Tinh chnh li 3 thng s ny t c p ng nh mong mun.

    1. V d: Gi s cn thit k b iu khin PID cho h thng sau:

    Bc 1: iu khin h thng ch vi b iu khin t l:

    Bc 2: Xc nh KC v c m h thng bt u giao ng - dng hmrlocus ca Matlab (sinh vin nn lu thnh file .m hoc thao tc trong MatlabEditor sau copy v dn vo Workspace c on lnh d dng cho vichiu chnh cc thng s phn sau):

    >>close all

    >>num=5;

    >>den=[1 10 100 0];

    >>[numc,denc]=cloop(num,den);

    >>htkin=tf(numc,denc) % ham truyen vong kin

    >>rlocus(htkin); %ve qui dao nghiem

    >> axis([-10 10 -15 15])

    M hnh h thng iu khin t ng

    11/14

  • Xc nh Kc v c bng hm rlocfind:

    >>[Kc,Omegac] = rlocfind(htkin)

    Nhp chut vo im giao nhau gia qu o nghim v trc o ca th, trongWorkSpace ta c:

    Kc =

    199.5793

    Omegac =

    -10.0145

    0.0072 +10.0072i

    0.0072 - 10.0072i

    Nh vy ta c KC=200 v c = 10. Suy ra thng s ca b iu khin PID:

    KP = 0.6KC = 120

    KI = 0.318KPc = 381.6

    KD = 0.785KP/c = 9.4

    Th p ng ca h:

    >>Kp=120; Ki=381.5; Kd=9.4;

    M hnh h thng iu khin t ng

    12/14

  • >>numc=[Kd, Kp, Ki];

    >>denc=[1 0]; % ham truyen cua PID

    >>[numac,denac]=cloop(conv(num,numc),conv(den,denc))

    >>step(numac,denac)

    Bc 3: Thc hin tng t nh III.2.2, sinh vin hy iu chnh mt lngnh 3 thng s KP, KD v KI c p ng tt hn.

    2. Sinh vin hy thit k b iu khin PID cho h thng sau:

    T CHN

    1. Sinh vin hy thit k b iu khin Vi phn t l (Proportional-Derivative controller):

    2. Sinh vin hy thit k b iu khin Tch phn t l (Proportional-Integral controller):

    M hnh h thng iu khin t ng

    13/14

  • M hnh h thng iu khin t ng

    14/14

    M hnh h thng iu khin t ngM HNH H THNG IU KHIN T NGMC TIUTHAM KHOTHC HNHHm truyn v phng trnh trng thi ca h thngB iu khin PIDHiu chnh thng s ca b iu khin PID

    T CHN