BÁO cáo THÍ NGHIỆM cơ sở điều KHIỂN tự ĐỘNG bi THÍ NGHIỆM 1 KHO sát đc TÍNH ĐỘNG học hệ THỐNG

 

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CƠ SỞ
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
LỚP: Z3CK - HK221

GVHD: BÙI THANH HUYỀN

SINH VIÊN THỰC HIỆN
 

Lê Trung Phụ

2247577

 

Hoàng Tiến Phong

2247571

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022
1


 

BI THÍ NGHIỆM 1

KHO SÁT ĐC TÍNH ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG
1. Mục đích
Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ khảo sát đăc tính đơng hc ca
mơt hệ thng tuyến tính thng qua khảo sát đáp ứng tân s và đáp ứng thơi
gian ca đi tưng đông c DC. Dựa vào các kết quả thu thập đưc từ đáp
ứng tân s bao gồm đáp ứng biên đô và đáp ứng pha, m hình đơng c DC
sẽ đưc nhận dạng. M hình nhận dạng đưc sẽ là c sở để thiết kế bơ điều
khiển sau này.
 Ngồi ra, bài thí nghiệm cịn khảo sát đáp ứng nấc để từ đó suy ra thơi
hằng và đô li DC ca đông c DC.
Mục tiêu sau khi hồn thành bài thí nghiệm này:
 Biết cách xy dựng và m phỏng m hình thí nghiệm dng MATLAB
Simulink để khảo sát đáp ứng tân s và đáp ứng thơi gian ca đi tưng
tuyến tính.
  Nhận dạng đưc m hình đi tưng đơng c DC từ đáp ứng tân s và đáp
ứng thơi gian.
2. Chuẩn bị trước thí nghiệm
2.1 Khao sát đăc tính tân sơ củ hệ thơng bậc 1
Bảng 1. Dữ liệu mô phong ch đáp ứng tần số của tốc độ động cơ DC 
Lân chạy

Tân s
(rad/s)

1

0.01

2
3

0.025
0.05

4

 Ac /
 Ar 
3.54

 Ac / Ar (dB)
11

-10

-4.6

2.93

9.32

-9

- 14.75

2.735

8.34

-8.9

-27.60

0.075

2.45

7.3

- 8.1

-37.43

5
6

0.10
0.25

2.13

6.65

-7.8

-43.2

1.25

0.97

-4.8

-64.82

7
8

0.50
0.75

0.64

-3.67

- 3.2

-78.98

0.43

- 8.9

-2.1

-87.32

9

1.00

0.24

- 11.6

-1.5

-80.53

2

  t

( s)

 

  (đô)

 


 

3


 

2.2 Khao sát đăc tính tân sơ củ hệ thơng bậc 2

Lân
chạy

Tân s
(rad/s)

1

0.01

279.3

48.5

-159.5

-91.3

2

0.025

132.8

42.6

-82.5

-107.2

3

0.05

62.7

35.7

-41.3

-119.5

4

0.075

36.6

29.8

-27.3

-128.6

5

0.10

21.5

27.89

-23.5

-138.7

6

0.25

4.8

5.52

-12.3

-142.8

7

0.50

1.7

1.68

-6.7

-167.5

8

0.75

0.89

0.84

-4.2

-183.2

9

1.00

0.35

0.5

-2.8

196.7

 Ac / Ar   Ac / Ar (dB)

4

  t

( s)

  (đô)

   


 

5


 

3. THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM

3.1 Đáp ứng tân sơ củ tôc độ động cơ DC
Bảng 3 Dữ liệu th nghiệm ch đáp ứng tần số của tốc độ động cơ DC 
Lân chạy

Tân s (rad/s)

 Ac / Ar 

 Ac / Ar (dB)

1

0.4

0.65

-3.667

-1

-22.91

2

0.6

0.63

-4.01

-0.6

-20.62

3

0.8

0.621

-4.12

-0.4

-18.33

4

1

0.604

-4.37

-0.3

-17.33

5

2

0.503

-5.37

-0.25

-28.64

6

4

0.369

-8.64

-0.25

-57.29

7

6

0.267

-11.88

-0.2

-68.75

8

8

0.197

-14.1

-0.15

-68.75

9

10

0.156

-16.16

-0.16

-91.67

10

20

0.017

-22.22

-0.04

-45.45

  t

( s)

 

  (đô)

 

3.2 Đáp ứng tân sơ củ vị trí động cơ DC
Bảng 4 Dữ liệu th nghiệm ch đáp ứng tần số của vị tr động cơ DC 
Lân chạy

Tân s (rad/s)

 Ac / Ar 

 Ac / Ar (dB)

1

0.4

8.4

18.4

-2

-45

2

0.6

5.76

15.2

-1.5

-51.56

3

0.8

4.32

12.7

-1.25

-57.29

4

1

3.45

10.75

-1

-57.29

5

2

1.68

4.506

-0.8

-91.67

6

4

0.57

-4.8

-0.7

-160.42

7

6

0.29

-10.5

-0.5

-171.28

8

8

0.22

-13.15

-0.4

-183.31

9

10

0.26

-11.7

-0.3

-171.88

10

20

0.07

-22.4

-0.1

-173.55

6

  t

( s)

 

  (đô)

 

 

3.3 Khao sát đáp ứng nấc tôc độ động cơ DC
Bảng 5. Dữ liệu th nghiệm ch đáp ứng tốc độ động cơ 
 DC the thi gian với điện áp đầu và khác nhau
Lân chạy

Tc đơ xác lập
(vịng/phút)

 K 

1

Điện áp
đơng c (V)
7.2

547

0.765

0.354

2

9.6

768.8

0.811

0.368

3

12

980

0.825

0.372

4

14.4

1210

0.867

0.388

5

16.8

1446

0.876

0.323

Giá trị trung bình

0.828

0.361

7.2V

9.6V
7

 

 


 



12V

8


 

14.4V



16.8V

9


 

4. Báo cáo thí nghiệm
4.1 Từ bảng s liệu ở Bảng 3 và Bảng 4, vẽ biểu đồ đáp ứng tân s tìm đưc
(Bode biên đơ và Bode pha) trong 2 trương hp, xác định đô li DC và hằng
s thơi gian ca hệ thng trong 2 trương hp 5.1 và 5.2 ?

10


 

Biểu đồ bode với s liệu bảng 3

11


 

Biểu đồ Bode với bang sô liệu 4:

12


 

4.2 Đô dc (dB/dec) trong biểu đồ biên đô xấp xỉ bằng bao nhiêu? Nó có ph hp
 

với đơ dc ca hệ thng bậc nhất đi với trương hp 5.1 và hệ thng bậc hai
đi với trương hp 5.2 hay khng?
Đô dc trong Bode biên đô ở bảng 3 xấp xỉ bằng -22.22db/dec cũng gân bằng
-20db/dec => Ph hp với tc đô dc ca hệ bậc nhất
Đô dc trong Bode biên đô ở bảng 4 bằng -22.4db/dec => Ph hp với dô dc
hệ bậc 2

4.3 Từ biểu đồ pha ở trương hp 5.1, hãy xác định tân s tại đó đáp ứng hệ thng
-

trễ pha so với tín hiệu đăt mơt góc 45 0? Giải thích về mi liên hệ ca tân s
này với hằng s thơi gian ca hệ thng?
Tân s tại đó đáp ứng trễ pha so với tín hiệu đăt 1 góc 45 đơ là 3 rad/s
Tân s này gân bằng với nghịch đảo ca hằng s thơi gian

4.4 Dự đốn về đơ li ca hệ thng khi tín hiệu đăt có tân s rất cao? Đơ trễ pha
đi với tân s này?
-

Dựa vào đáp ứng biên đô , ta thấy khi tân s rất cao đáp ứng biện đô tiến về ∞
nên đô li đông c sẽ tiến về 0 .

Dựa vào đáp ứng pha, ta thấy khi tân s càng cao thì đáp ứng dân hôi tụ về -90
nên đô trễ pha lúc này là 90.

4.5 So sánh hằng s thơi gian và đô li DC trong 2 trương hp 5.1 và 5.3 ?
-

Hằng s thơi gian ở 2 trương hp gân bằng nhau.
Đô li DC trong 2 trương hp cũng xấp xỉ nhau .

13


 

BI THÍ NGHIỆM 2
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
I.

MỤC ĐÍCH

Trong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ khảo sát và đánh giá các tiêu chuẩn về
chất lưng ca hệ thng điều khiển vịng kín bao gồm: đơ vt l, sai s xác lập, thơi
gian lên, thơi gian xác lập. M hình đi tưng đưc sử dụng trong thí nghiệm là m
hình đơng c DC đưc điều khiển vịng kín bằng bô điều khiển liên tục gồm khu tỉ lệ
và khu tích phn. Bơ điều khiển này đưc thiết kế dng mạch khuếch đại op-amp. Các
hệ s khu tỉ lệ và tích phn đưc thay đổi để cung cấp nhiều dạng đăc tuyến ngõ ra
khác nhau.




Mục tiêu sa khi hoàn bài thí nghiệm này :
Biết cách xy dựng và m phỏng m hình điều khiển liên tục vịng kín dng
MATLAB Simulink.
Hiểu nguyên lý thiết kế bô điều khiển liên tục dng các mạch khuếch đại thuật toán
op- amp c bản.
Biết cách tính tốn các tiêu chuẩn đánh giá chất lưng hệ thng điều khiển.

II.

THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM
2.1 Khao sát chất lưng hệ thông dùng các khôi hm liên tục trong MATLAB
Simulink 

Bảng 3. Đầu và hàm nâc (Step)
Thí nghiệm

Tiêu chuẩn

Điều khiển vận tc SP=800v/p
Điều khiển vị trí SP=1000°
Dng khu P Dng khu PI
Dng khu P Dng khu PI
Kp=0.2,
Kp=0.2,
Kp=0.02, Ki=0 Kp=0.02,Ki=0.00
Ki=0
Ki=0.5
5

Thơi gian xác lập (s)

0.5

2

1.72

3.67

Thơi gian lên (s)

0.23

0.39

0.35

0.31

Đô vt l (%)

2.78

29.5

13.5

44.12

Sai s xác lập

25

0.5

9

0.3

14


 

Điều khiển vận tôc SP=800v/ Dùng khu P

Điều khiển vận tôc SP=800v/Dùng khu PI

15


 

Điều khiển vị trí SP=1000° Dùng khu P



Điều khiển vị trí SP=1000° Dùng khu PI

16


 

 Nhận xét :
- Từ bảng trê ta thấy khi điều khiển vận tc hay đông c khi ta dung
khu PI thay cho khu , sai s xác lập giảm tt
- Nhận xét đồ thị :
+ Điều khiển vận tc dung khu P cho đáp ứng có sai s xác lập cao
exl = 25 .Tuy nhiên thơi gian xác lập ,thơi gian lên ngắn .Đô lt v nhỏ
+ Điều khiển vận tc dung khu PI loại bỏ sai s xác lập e xl =0.5 tuy
nhiên đô lt v tng cao POT = 29,5%. Thơi gian lên và thơi gian xác
lập dài hn
+ Điều khiển vị trí chỉ dng khu P , đáp ứng ngõ ra cho sai s xác lập
exl = 9 đơ lt v cao 13.5%
+ Điều khiển vị trí dng PI loại bỏ hoàn toàn sai s xác lập .Tuy nhiên
đô lt v tng lên 44.12% , thơi gian lên giảm nhưng thơi gian xác lập
tng 3 lân .


Bảng 4. Đầu và hàm dốc (Ramp)
Thí nghiệm

Điều khiển vận tc
SP=0800v/p trong 10s
Dng khu P
Dng khu PI
Kp=0.2, Ki=0 Kp=0.2, Ki=0.5

Điều khiển vị trí
SP=01000° trong 20s
Dng khu P
Dng khu PI
Kp=0.03, Ki=0 Kp=0.03, Ki=0.01

Tiêu chuẩn
Sai s xác lập

∞

1

2.5

 Nhận xét
 đi với đâu vào hàm dc :
+ Khi điều khiển vận tc dng khu P cho sai s xác lập ra v cng , đáp ứng
ngõ ra khng bám theo tín hiệu đăt .
+ Khi dng khu PI điều khiển vận tc sai s xác lập giảm còn 1 => gân như
khng đáng kể .
+ Khi điều khiển vi trí dng khu P cho sai s xác lập lớn 17 .
+ Khi có them khu PI , điều khiển vị trí sai s xác lập giảm về 2.5




17

17

 

2.2 Khao sát chất lưng hệ thông dùng mạch khuếch đại op-mp
Bảng 5. Đầu và hàm nâc (Step)
Thí nghiệm

Điều khiển vận tc SP=800v/p

Điều khiển vị trí SP=1000°

Dng khu P
Rp=5k 

Dng khu P
Rp=30k 

Tiêu chuẩn
Thơi gian xác lập (s)

Dng khu PI
Rp=5k 
Ri=2k,Ci=10u

Dng khu PI
Rp=30k
Ri=30k, Ci=10u

0.55

1.02

2

3.05

Thơi gian lên (s)

0.23

0.265

0.446

0.435

Đô vt l (%)

3.77

2.2

36.97

51.49

Sai s xác lập

60

10

90

68



Nhận xét

+ Từ bảng trên ta thấy hâu như ở trong mi trương hp khi dng khu PI thay
cho khu P sai s xác lập giảm .
+ Nhận xét đồ thị :
- Đi với đâu vào hàm nấc :
 Điều khiển vận tc dng khu P cho đáp ứng có sai s xác lập là
60.Thơi gian xác lập , thơi gian lên ngắn . Đô lt v nhỏ .
 Điều khiển vận tc dng khu PI cho sai s xác lập giảm , tuy nhiên
đô lt v tng gấp đi. Thơi gian lên và thơi gian xác lập dài hn .
 Điều khiển vị trí chỉ dng khu P cho sai s xác lập cao e xl=90 thơi
gian xác lập 2s , đơ lt v cao 36.97% .
 Điều khiển vị trí dng PI cho sai s xác lập giảm còn 68 thơi gian xác
lập 0.435s , đô lt v tng lên 51.49% .

18


 

Bảng 6. Đầu và hàm dốc (Ramp)

Thí nghiệm

Điều khiển vận tc
SP=0800v/p trong 10s
Dng khu P
Rp=5k 

Dng khu PI
Rp=5k 
Ri=2k,Ci=10u

Dng khu P
Rp=10k 

Dng khu PI
Rp=10k
Ri=30k, Ci=47u

∞

∞

51

63

Tiêu chuẩn
Sai s xác lập


Điều khiển vị trí
SP=01000° trong 20s

Nhận xét

- Đi với đâu vào hàm dc :
+ Khi điều khiển vận tc dng khu P hay PI cho sai s xác lập ra v
cng , đáp ứng ngõ ra khng bám theo tín hiệu đăt .
+ Khi điều khiển vị trí dng khu P cho sai s xác lập lớn là 51
+ Khi có them khu PI , điều khiển vị trí sai s xác lập tng them lên
63.

19


 

BAI THÍ NGHIỆM 4

I.

ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG CĨ TRỄ
Mục đích

Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ khảo sát đoi tưng có tre là lị nhiệt và xây
dựng b đieu khien PID theo phưng pháp Ziegler – Nichols cho đoi tưng lò nhiệt.
B đieu khien nhiệt đ rat pho bien và đưc ứng dụng r ng rãi trong công nghiệp.
Việc đieu khien chính xác nhiệt đ với đ vot lo nhỏ và sai so xác l p nhỏ là can thiet
và quyet định tới chat lưng sản pham can gia nhiệt.
Dựa vào các ket quả thu th p đưc từ đáp ứng thơi gian, sinh viên sẽ tìm đưc

mơ hình ca lò nhiệt như: hệ so khuech đại, thơi gian tre, thơi hang ca lị nhiệt. Sau
khi tìm đưc m hình lị nhiệt, sinh viên sẽ xy dựng b đieu khien PID theo phưng
 pháp Ziegler – Nichols đe đieu khien nhiệt

Mục tiêu sau khi hồn thành bài thí nghiệm này:
 Biet cách xy dựng và m phỏng m hình đieu khien hệ thong có tre là lị nhiệt.
 Nh n dạng đưc mơ hình lị nhiệt từ đáp ứng thơi gian đe thiet ke b đieu
khien PID theo phưng pháp Ziegler – Nichols

 
II.

THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM
2.1 Tìm thng sơ lị nhiệt
Bảng 1. Giá trị K , T 1 , T 2

 K 

T 1 (s)

T 2 (s)

2.67

70

600

2.2 Điều khiển PID theo phương pháp Ziegler –Nichols
 

Bảng 2. Hàm truyen bộ kieu khien PID
 K p  / T  i 
B đieu khien  PID( s)   K  
  K  pT d  
 p 
 s s
4.2

P

2.9

PI

138.67

PID
20


 

Bang 3 Chất lưng hệ thông điều khiển
Bộ điều
khiển
P

PID

T/g xác lậ p (s) Đô vt l (%)

Sai s xác lập ( oC)

450

15

5

1130

30

0

Báo cáo thí nghiệm :
1. Từ bang sơ liệu ở bang 1 , viết hm truyền củ lò nhiệt theo
(1) ?
+ Đăt biến Variable name trong Scope Parameters là “v” .
+ Chạy mạch đã thiết kế trong Simulink sau đó code trong cửa
sổ Command Window
Đc kết quả trong Command Window :
>> t=v.time;
>>y=v.signals.values;
>>dy=diff(y)/0.1;
>>[dyi,i]=max(dy);
>>yi=yi(i)
>>ti=t(i)
>>T1=ti-yi/dyi;
>>T2=(y(end)-yi)/dyi+ti-T1 ;

>> K=y(end)/0.3 ;
>>plot(t,y,’b’,[T1 T1+T2],[0 y(end)],’y’) ;
T1 = 70
T2 = 600
K = 2.67
2. Dựa vào kết quả thí nghiệm ở Mục 5.2 . Nhận xét chất lưng
ca hệ thng ( đô lt v , thơi gian quá đô , sai s xác lập ) cho
 bô điều khiển P,PID . Bô điều khiển nào là tt nhất ? Tại sao ?
+ Bơ điều khiển P có đơ lt v tưng đi thấp , thơi gian quá đô
ngắn nhưng hệ thng khng theo kịp sự thay đổi ca tín hiệu
vào , có sai s xác lập lớn
21


 

+ Bô điều khiển PID cải thiện đưc sai s xác lập e xl = 0 tuy
nhiên lại có đơ lt v và thơi gian quá đô lớn hn so với bơ điều
khiển P nhưng có thể chấp nhận đưc .
- Trong điều khiển lị nhiệt , việc điều khiển chính xác nhiệt đô với đô lt
v và sai s xác lập nhỏ là cân thiết và quyết định đến chất lưng sản
 phẩm cân gia nhiệt . Vì vậy trong 2 bô điều khiển vừa thiết kế trên , đ
 bô điều khiển PID có đơ lt cao hn so với bơ điều khiển P nhưng 30%
là con s chấp nhận đưc hn nữa bơ PID lại có sai s giữa tín hiệu ngõ
ra lúc xác lập và tín hiệu đăt gân như bằng 0 đáp ứng đưc yêu câu điều
khiển chính xác nhiệt đ mà ta mong mun ban đâu => có thể kết luận
rằng bơ điều khiển PID tt hn so với bô điều khiển P .

22

 

BI THÍ NGHIỆM 5
ĐIỀU KHIỂN HỒI TIP BIN TRẠNG THÁI
I. MỤC ĐÍCH

Hệ thng xe – lị xo bao gồm 2 xe và 2 lò xo liên kết ni tiếp nhau.
23


 

Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ xy dựng phưng trình biến trạng thái
m tả hệ thng xe – lị xo. Sau đó sẽ xy dựng bơ điều khiển hồi tiếp biến
trạng thái để điều khiển vị trí ca xe 1 hoăc vị trí ca xe 2 theo giá trị đăt
mong mun.
Dựa vào các kết quả thu thập đưc từ đáp ứng thơi gian, sinh viên sẽ tìm
đưc các thng s ca m hình xe – lị xo như: đơ cứng ca lị xo, hệ s ma
sát. Sau khi tìm đưc các thng s này, sinh viên sẽ xy dựng đưc phưng
trình biến trạng thái m tả hệ thng xe – lị xo.
 Ngồi ra, bài thí nghiệm cịn giúp sinh viên hiểu rõ ảnh hưởng ca bô
điều khiển hồi tiếp biến trạng thái lên chất lưng hệ thng điều khiển.
Mục tiêu sau khi hồn thành bài thí nghiệm này:
 Biết cách xy dựng và m phỏng m hình điều khiển hệ thng xe – lò xo
dng phưng pháp điều khiển hồi tiếp biến trạng thái.
 Biết cách thu thập dữ liệu và nhận dạng m hình đi tưng xe – lò xo.
 Đánh giá đưc chất lưng điều khiển dng phưng pháp điều khiển hồi
tiếp biến trạng thái.
II.

KT QU THÍ NGHIỆM

1. Tìm thng sơ củ hệ xe –lị xo :

- Trong phân này, sinh viên sẽ thu thập tín hiệu đâu vào và đâu ra ca hệ
thng và áp dụng cng thức ở Mục 2.2 để tìm các thng s chưa biết ca hệ
xe – lị xo: đơ cứng k 1, k 2 ca lò xo; hệ s ma sát b1, b2 ca xe; và hệ s tỉ lệ
 K.

1.1 Tìm k 1 , b1
 

Bang 1 : Giá trị k1,b1

24


 

Lân chạy

k 1 (N/m)

b1 (N.s/m)

1

850.9

3.39

2

836.6

3.41

3

896.8

3.461

4

876.2

3.44

5

871.13

3.47

Trung bình

868.9

3.434

1.2 Tìm k  , b2
Bang 2 : Giá trị k1,b1

 

Lân chạy

 K 

 B2 (N.s/m)

1

1.1245

10.35

2

1.0846

10.025

3

1.1436

10.54

4

1.0952

10.08

5

1.0625

9.63

Trung bình

1.10208

10.125

25