BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
NĂM HỌC 2021-2022
---------*---------

BÁO CÁO MƠN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
GVHD: TRẦN HỒNG KHƠI NGUYÊN

LỚP: L01


SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Họ Tên

MSSV

Lớp

Nguyễn Bá Hưng

2012508

L01

Thân Hoàng Huy

2013330

L01

MỤC LỤC
BÀI 1: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG ................................5
1. Thực hiện thí nghiệm ...............................................................................................5
1.1. Đáp ứng tần số của tốc độ động cơ DC ............................................................5
1.2. Đáp ứng tần số của vị trí động cơ DC ............................................................11
1.3. Khảo sát đáp ứng nấc tốc độ động cơ DC ......................................................17
1.4. Báo cáo thí nghiệm: ........................................................................................20
BÀI 2: KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ......................................................24
1. Thực hiện thí nghiệm .............................................................................................24
1.1. Khảo sát chất lượng hệ thống dùng các khối hàm liên tục trong MATLAB
Simulink.................................................................................................................24
1.2. Khảo sát chất lượng hệ thống dùng mạch khuếch đại op-amp.......................29
1.3. Báo cáo nhận xét kết quả thí nghiệm. ............................................................34
BÀI 3: KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ ...........................................................39
1. Thực hiện thí nghiệm .............................................................................................39
1.1.Điều khiển tốc độ động cơ DC ........................................................................39
1.2.Điều khiển vị trí động cơ DC ..........................................................................48
1.3 Báo cáo thí nghiệm: .........................................................................................61
BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG CĨ TRỄ..............................................................64
1. Thực hiện thí nghiệm .............................................................................................64
1.1 Khảo sát mơ hình và các thơng số của lị nhiệt ...............................................64
1.2. Điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols:...................................65
1.3. Báo cáo thí nghiệm: ........................................................................................67
BÀI 5: ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP BIẾN TRẠNG THÁI ...............................................69
1. Thực hiện thí nghiệm .............................................................................................69


1.1. Tìm thơng số của hệ xe – lị xo: .....................................................................69

1.2 Điều khiển vị trí xe 2: ......................................................................................72
1.3 Điều khiển vị trí xe 1: ......................................................................................78
1.4. Báo cáo thí nghiệm: ........................................................................................87


BÀI 1: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG
1. Thực hiện thí nghiệm
1.1. Đáp ứng tần số của tốc độ động cơ DC
Trong phần thí nghiệm này ta sẽ khảo sát đáp ứng tần số cho mơ hình bậc nhất
động cơ DC với ngõ vào là điện áp, ngõ ra là tốc độ động cơ.
Các bước thí nghiệm:
a) Mở file motor_speed_response.mdl
b) Cài đặt biên độ sóng sine bằng 7.2, tần số 0.4 rad/s.
c) Biên dịch chương trình và chạy
d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định tỉ số biên độ giữa tín hiệu ngõ ra và tín hiệu
đặt Ac/Ar, xác định độ trễ pha



giữa hai tín hiệu bằng cách đo thời gian t . Chú ý:

Phải mở Scope trước khi chạy mơ hình hoặc chạy xong mới được mở Scope, nếu khơng
máy tính sẽ bị treo.
e) Ghi lại các kết quả vào Bảng 3. Lưu ý: biên độ tín hiệu phải được tính bằng cách
chia khoảng cách giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất cho 2 vì giá trị trung bình 0 có thể
khơng xác định chính xác trên scope
f) Lặp lại bước d) và e) với các tần số còn lại như trong Bảng 3, biên độ vẫn giữ
nguyên bằng 7.2.
Bảng 3: Dữ liệu thí nghiệm cho đáp ứng tần số của tốc độ động cơ DC
Lần chạy

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Tần số (rad/s)
0.4
0.6
0.8
1
2
4
6
8
10
20

Ac/Ar
67
65
62
59
48
34

26
19
16
7

Kết quả mô phỏng: (SCALE =100)
Lần 1:

Ac/Ar (dB)
36.52
36.26
35.85
35.42
33.62
30.63
28.3
25.58
24.08
16.9

∆t (s)
-0.537
-0.517
-0.6
-0.44
-0.409
-0.242
-0.203
-0.165
-0.138

-0.092

 (độ)
-12.3
-17.77
-27.5
-25.21
-46.87
-55.46
-69.79
-75.63
-79.07
-105.42


Lần 2:

Lần 3:


Lần 4:

Lần 5:


Lần 6:

Lần 7:

Lần 8:

Lần 9:


Lần 10:


1.2. Đáp ứng tần số của vị trí động cơ DC
Trong phần thí nghiệm này ta sẽ khảo sát đáp ứng tần số cho mơ hình bậc hai động
cơ DC với ngõ vào là điện áp, ngõ ra là vị trí động cơ.
Mở file motor_pos_response.mdl. Lặp lại các bước thí nghiệm như trong 1.1 và
ghi lại kết quả vào Bảng 4.
Lưu ý: vì giá trị biên độ của vị trí động cơ không đối xứng qua giá trị 0 nên để tính
độ lệch pha giữa 2 tín hiệu ta phải dựa vào giá trị đỉnh của 2 tín hiệu ngõ vào và ngõ ra.
Ta có thể chỉnh khối Gain SCALE (bình thường bằng 1) trong mơ hình simulink để việc
so sánh 2 đỉnh tín hiệu dễ dàng hơn. Nhưng khi thay đổi SCALE thì sau khi tính tỉ số
biên độ phải nhớ chia cho SCALE vì ta thay đổi hệ số này chỉ để quan sát đồ thị trên
Scope cho dễ dàng hơn.
Bảng 4: Dữ liệu thí nghiệm cho đáp ứng tần số của vị trí động cơ DC
Lần chạy
1
2
3
4
5
6
7
8
9

10

Tần số (rad/s)
0.4
0.6
0.8
1
2
4
6
8
10
20

Ac/Ar
875
575.28
431.6
334.15
139.31
51.58
39.77
26
15.4
5.66

Kết quả mô phỏng (SCALE=100):
Lần 1:

Ac/Ar (dB)

58.84
55.2
52.7
50.48
42.88
34.25
32
28.3
23.75
15.06

∆t (s)
-4.214
-2.99
-2.28
-1.91
-1.09
-0.65
-0.44
-0.36
-0.28
-0.16

 (độ)
-96.58
-102.79
-104.5
-109.32
-124.91
-148.97

-151.26
-165.01
-160.43
-183.35


Lần 2:

Lần 3:


Lần 4:

Lần 5:


Lần 6:

Lần 7:


Lần 8:

Lần 9:


Lần 10:


1.3. Khảo sát đáp ứng nấc tốc độ động cơ DC

Trong phần thí nghiệm này ta sẽ xác định đáp ứng nấc tốc độ động cơ DC, từ đó
xác định độ lợi K và thời hằng  (thời gian tại đó đáp ứng hệ thống bằng 63% giá trị xác
lập).
Các bước thí nghiệm:
a) Mở file motor_step_response.mdl
b) Thay ngõ vào bằng khối Step với giá trị đặt (final value) 7.2.
c) Biên dịch chương trình và chạy
d) Mở Scope để xem đáp ứng, xác định thời hằng và độ lợi DC. Chú ý: Phải mở
Scope trước khi chạy mơ hình hoặc chạy xong mới được mở Scope, nếu khơng máy tính
sẽ bị treo.
e) Lặp lại các bước b) đến d) cho các giá trị còn lại ở Bảng 5.
Bảng 5: Dữ liệu thí nghiệm cho đáp ứng tốc độ động cơ DC theo thời gian với
điện áp đầu vào khác nhau
Lần chạy
1
2
3
4
5

Điện áp động cơ (V)
7.2
9.6
12
14.4
16.8

Kết quả mô phỏng:
Lần 1:

Tốc độ xác lập (vịng/phút)
517
748
980
1210
1455
Giá trị trung bình

K
72
77
81
85
98
82.6


0.614
0.57
0.61
0.78
0.76
0.6668


Lần 2:

Lần 3:

Lần 4:

Lần 5:


1.4. Báo cáo thí nghiệm:
1.4.1. Từ bảng sớ liệu ở Bảng 3 và Bảng 4, vẽ biểu đồ đáp ứng tần sớ tìm được (Bode
biên đợ và Bode pha) trong 2 trường hợp, xác định độ lợi DC và hằng số thời gian
của hệ thống trong 2 trường hợp 1.1 và 1.2 ?


Hàm truyền của hệ thống có dạng:

K
→ G( jw) w=2= -tan-1(2 )=-46.870
 s +1

→  =0.5338
Mà G ( jw) w=2=

K
w  +1
2 2

=48 →K=70.2142

Hàm truyền của hệ thống có dạng:

K
→ G( jw) w=2= -tan-1(2 )-90=-124.910

s ( s + 1)

→  =0.3489
Mà G ( jw) w=2=

K
w w2 2 + 1

=139.31 →K=339.7479


1.4.2. Độ dốc (dB/dec) trong biểu đồ biên độ xấp xỉ bằng bao nhiêu? Nó có phù hợp
với đợ dớc của hệ thống bậc nhất đối với trường hợp 1.1 và hệ thống bậc hai đối
với trường hợp 1.2 hay không?
Trường hợp 1.1:
Độ dốc trong biểu đồ biên độ xấp xỉ -17dB/dec. Theo lý thuyết thì độ dốc hệ thống
bậc nhất là -20dB/dec nên có thể xem độ dốc trong thí nghiệm phù hợp với lý thuyết.
Cịn giá trị 20log(Ac/Ar) trước tần số gãy thay đổi không nhiều.
Trường hợp 1.2:
Độ dốc trước tần số gãy ωn=2 rad/s xấp xỉ -24.59dB/dec và sau tần số cắt là -35.42
dB/dec. Theo lý thuyết thì độ dốc khâu tích phân lý tưởng tại tần số gãy ω=1 rad/s là 20dB/dec còn sau ωn = 2 là -40dB/dec nên có thể xem độ dốc trong thí nghiệm phù hợp
với lý thuyết
1.4.3. Từ biểu đồ pha ở trường hợp 1.1, hãy xác định tần số tại đó đáp ứng hệ thớng
trễ pha so với tín hiệu đặt mợt góc 450? Giải thích về mới liên hệ của tần số này với
hằng số thời gian của hệ thống?
Từ biểu đồ bode pha ở trường hợp 1, ta thấy tại = 1.7 thì tín hiệu ra trễ pha 45o so
với tín hiệu vào. Theo lý thuyết thì tại tần số gãy ω = 2 chính là giá trị hằng số thời gian
của hệ thống và tín hiệu ra trễ pha 45o so với tín hiệu vào. Nhưng trên đờ thị Bode pha
thì ta xác định được vị trí trễ pha 45o lại là 1.3 rad/s, điều này có thể do sai số lúc làm
thí nghiệm và sai số của thiết bị.

Tính tốn:
hàm truyền của hệ thống có dạng:

K
→ G( jw) = -tan-1(w  )=-450
( s + 1)

Vì  =0.5338 →w=1.8734
1.4.4. Dự đoán về độ lợi của hệ thống khi tín hiệu đặt có tần sớ rất cao? Đợ trễ pha
đối với tần số này?
Theo lý thuyết, đối với hệ thống bậc nhất thì độ lợi |G(jω)| và góc pha  G(jω) có
thể biểu diễn theo ω như sau:


Nên khi hàm truyền hệ thống không đổi, tăng tần số tín hiệu đặt có tần số vào lên
rất cao thì độ lợi hệ thống sẽ tiến về 0 và độ trễ pha tiến dần về -90o
1.4.5. So sánh hằng số thời gian và độ lợi DC trong 2 trường hợp 1.1 và 1.3 ?
Khi so sánh hai trường hợp 1.1 và 1.3 ta nhận thấy rằng giá trị hằng số thời gian
đo đạc được từ hai trường hợp gần như bằng nhau. Có chênh lệch nhưng khơng đáng
kể.
Về độ lợi DC thì ta cũng ghi nhận được giá trị K ở trường hợp 1.3 khác với ở
trường hợp 1.1 khi 2 giá trị chênh lệch khá lớn. Tại vì để xác định chính xác được độ lợi
K thì cần đo ở giá trị ω nhỏ để giảm sai số


BÀI 2: KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
1. Thực hiện thí nghiệm
1.1. Khảo sát chất lượng hệ thống dùng các khối hàm liên tục trong MATLAB Simulink.
Các bước thí nghiệm:
a) Mở file Simulink motor_cont_ctrl0.mdl

b) Trên file Simulink, ứng với mỗi thí nghiệm trong bảng chú ý thực hiện chính
xác lần lượt các bước sau: chọn dạng ngõ vào Step hay Ramp dùng SW_R → thiết lập
giá trị ngõ vào → chọn chế độ điều khiển vận tốc hay vị trí dùng SW_Y → thiết lập
các hệ số {Kp, Ki}
c) Biên dịch chương trình và chạy
d) Mở Scope xem đáp ứng và tính các tiêu chuẩn chất lượng hệ thống. Chú ý:
Phải mở Scope trước khi chạy mơ hình hoặc chạy xong mới được mở Scope, nếu khơng
máy tính sẽ bị treo.
e) Ghi lại các kết quả vào Bảng 3
f) Lưu hình ảnh đặc tuyến để so sánh các trường hợp
g) Lặp lại bước b) tới tới bước f) cho các giá trị ở Bảng 3 và Bảng 4.
Bảng 3: Đầu vào là hàm nấc (step)
Thí nghiệm

Điều khiển vận tốc
SP=800v/p

Điều khiển vị trí SP=1000°

Tiêu chuẩn

Dùng khâu P
Kp=0.2,
Ki=0

Dùng khâu PI
Kp=0.2,
Ki=0.5

Dùng khâu P

Kp=0.02,
Ki=0

Dùng khâu PI
Kp=0.02,Ki=0.005

Thời gian xác lập
(s)

0.361

1.564

1.221

1.155

Thời gian lên (s)

0.213

0.233

0.246

0.241

Độ vọt lố (%)

3.195

27.875

29.812

37.265

Sai số xác lập

53.9

0.1

13

9

Hình ảnh thí nghiệm
❖ Điều khiển vận tốc - Khâu P


❖ Điều khiển vận tốc - Khâu PI

❖ Điều khiển vị trí - Khâu P