Báo cáo thí nghiệm Cơ sở tự động ĐHBK

Báo Cáo Thí Nghi T ng

1

BÀI THÍ NGHIM 1

PHN A : NG DNG MATLAB PHÂN TÍCH
CÁC H THU KHIN T NG

I. Tìm hàm truya h thng
Nhp hàm các hàm truyn cho các khnh tf .
Tùy theo cu trúc các khi ni tip, song song, hi tip mà dùng các lnh series,
parallel, feedback  thc hin kt ni các khi vi nhau .











Báo Cáo Thí Nghi T ng

2

Các lnh thc hin trên Command Window :

Nhn xét : Ta thấy với sự hỗ trợ của các lệnh Matlab, ta có thể tính nhanh hàm
truyền tương đương của sơ đồ khối một các nhanh chóng so với phương pháp thủ
công.
Báo Cáo Thí Nghi T ng

3

II. Kho sát h thng dùng bi Bode.
Kho sát h thng hi tip âm có hàm truyn h :
2
()
( 0.2)( 8 20)
K
Gs
s s s

  

a. Vi K=10, v bi  và pha h thng trên trong khong tn
s ( 0.1 , 100 ).
b. Tìm tn s c d tr pha, tn s c d tr biên ca h
thng .

c. H thng trên nh vì :
( ) 24.8 0
180 ( ) 180 77 103 0
o o o
c
GM L dB
M





   



      



 H thng nh.
d. V  ca h thng vu vào là hàm n trong khong
thi gian t=0-10s.
Báo Cáo Thí Nghi T ng

4


e. Vi K=400 làm lc a-d .




Báo Cáo Thí Nghi T ng

5

ng ca h thng :

H thng không nh vì :
( ) 7.27 0
180 ( ) 180 203.4 23.4 0
o o o
c
GM L dB
M




    



       



Nhn xét : Khi K tăng quá nhiều sẽ làm cho hệ thống mất tính ổn định . Với việc
dùng Matlab để vẽ biểu đồ Bode ta có thể khảo sát tính ổn định của hệ thống.

III. Kho sát h thng dùng bi Nyquist.
Kho sát h thng hi tip âm có hàm truyn h :
2
()
( 0.2)( 8 20)
K

Gs
s s s

  

a. Vi K=10, v bi Nyquist ca h thng .
b. Tìm tn s c d tr pha, tn s c d tr biên ca h
thng .
Báo Cáo Thí Nghi T ng

6



Ta th d tr  d tr biên ca h thnh
bng bi Bode.
Báo Cáo Thí Nghi T ng

7

c. H thng trên nh vì ng cong Nyquist ca h h không m
( -1,j.0 ) theo chic ching h ) khi

i
( 0,

).


d. Vi K=400 làm lc a-c .

Bi Nyquist :

Báo Cáo Thí Nghi T ng

8


Ta th d tr  d tr biên ca h thnh
bng bi Bode.

H thng trên không ng cong Nyquist ca h h m
( -1,j.0 ) ½ theo chic ching h ) khi

i
( 0,

).

Nhn xét : Cũng tương tự như biểu đồ Bode, ta có thể dùng Matlab để vẽ biểu đồ
Nyquist để khảo sát tính ổn định của hệ thống và nó cũng cho kết quả giống như sử
dụng biểu đồ Bode.

Báo Cáo Thí Nghi T ng

9

IV. Kho sát h thng dùng 
Kho sát h thng hi tip âm có hàm truyn h :
2
()

( 3)( 8 20)
K
Gs
s s s

  

a. V qu o nghim s ca h thng.D
gh
?
 tìm K
gh
ta nhp chut vào v trí ct nhau gic o .

c K
gh
= 428
b.  h thng có tn s ng t nhiên
4
n


.
 c K ta nhp vào v m c
4
n


.
Báo Cáo Thí Nghi T ng

10


c K
gh
= 3.65
c.  h thng có h s tt
0.7



 c K ta nhp vào v m cng thng
0.7




c K
gh
= 20.1
Báo Cáo Thí Nghi T ng

11

d.  h thng có POT= 25% . POT = 25% =>
0.4


 c K ta

nhp vào v m cng thng
0.4




c K
gh
= 76.3
e.  h thng có thi gian xác lp ( tiêu chun 2% ) t
xl
=4s. =>
1
n



 c K ta nhp vào v im cng thng
1
n




c K
gh
= 189
Báo Cáo Thí Nghi T ng

12

Nhn xét : Từ quỹ đạo nhiệm số vẽ bằng Matlab ta có thể dễ dàng xác định các
giá trị của K để thỏa mãn các yêu cầu của đề đưa ra .
V. ng h thng .
Vi h th phn IV
a. Vi K=K
gh
=428 . V  ca h thng vòng kín vu vào là
hàm n .

ng .
b. Vi K=K
gh
=428 . V  ca h thng vòng kín vu vào là
hàm n trong khong thi gian 0-5s.

Báo Cáo Thí Nghi T ng

13


H thng có POT=20.7% và e
xl
=0,56 . H th vt l nh 
c. Vi K=K
gh
=189 . V  ca h thng vòng kín

H thng có POT=48,6% và e
xl

=0,759. H thng có thi gian xác lp t
xl
=4s.
d. V ng b và c trên cùng 1 hình v .
Báo Cáo Thí Nghi T ng

14


Nhn xét : Ta thấy khi tăng giá trị của K thì độ vọt lố của hệ thống tăng cao,
sai số xác lập cũng tăng theo, thời gian xác lập của hệ thống dài hơn .



Báo Cáo Thí Nghi T ng

15

PHN B : NG DNG SIMULINK MÔ PHNG
NG H THNG

I. Kho sát mô hình h thu khin nhi .
1. Kho sát h h, nhn dng h thng theo mô hình Ziegler  Nichols .
Dùng SIMULINK xây dng mô hình h thng lò nhit vòng h 

a. Chnh giá tr ca hàm n công sut cung cáp cho lò là 100% . Thi
gian mô phng Stop Time = 600s . Mô phng và v  ca h
thng .
b. V tip tuyn tm u tính các thông s T,L .

T hình v nh T = 181,71 ; L= 16.89 .
Báo Cáo Thí Nghi T ng

16

So vi mô hình lò nhit tuyn tính hóa ( L =30 , T =120 ) thì các giá tr này
có s khác bit , L thì nh 

2. Khu khin nhi ON  OFF .
Xây dng mô hình h thng lò nhit ON-

a. Kh ca h thng vi các giá tr ca khâu tr Relay

b. Tính sai s ngõ ra vi tín hit và tht ng vng
hp ca khâu Relay .
Vùng tr
e1
-e2
t (s)
+1/-1
4.1
1.19
52.6
+5/-5
11.5
6.9
94.9
+10/-10
18.8
12.27

124.9
+20/-20
30,2
22
170.2
Nhn xét : Vùng trễ càng lớn thì sai số ngõ ra càng lớn, chu kì đóng ngắt của
khâu Relay ( khoảng thời gian ngõ ra khâu Relay thay đổi 1 chu kì ) càng dài .

c. ng hp vùng tr +5/-5 :
Báo Cáo Thí Nghi T ng

17


d.  sai s ngõ ra xp x bi giá tr vùng tr bng +5/-
ngt lúc này s ngc t , ta có th thc hin b u khin ON  
vy . Vì thc t có các mch, linh kin có th ng th
thc hin các b tr . Vùng tr la chn khong vài giây là hp lý vì nu vùng tr nh thì
sai s ngõ ra nh t s ng lên làm gim tui th ca b u khin
ON  OFF .

3. Khu khin nhi 
Ziegler  u khin PID ) .
Báo Cáo Thí Nghi T ng

18

Xây dng mô hình h thng lò nhi

a. Các thông s Kp, KI, KD ca khâu PID :

()
I
pD
K
PID s K K s
s
  
Vi :
6
1,2 1,2.181,71
0.043
16,89.300
0,043
4,243.10
2 2.16,89.300
0,5
0,5.0,043.16,89
0,00121
300
p
p
I
p
D
T
K
LK
K
K
LK

KL
K
K

  
  
  

b. Chy mô phng và v lng .

c. Nhn xét v chng ngõ ra  u khin PID và ON  OFF .
u khin ON-OFF cho thi gian xác lu khin
u khin PID có trng thái xác lp n d so vu khin
ON  OFF .
II. Khu khin t , v 
1. Khu khin t 
Xây du khin t 
Báo Cáo Thí Nghi T ng

19


a. Chnh thi gian mô phng Stop time = 10s . Thc hin kho sát h thng vi
b u khin P ( K
I
=0, K
D
 vt l, sai s xác lp, thi gian
xác lp ca ngõ ra .
K

P

1
10
20
50
100
POT
0
0
0
0.662
0.461
e
xl

16.69
2
1
0.4
0.2
t
xl

0.68
0.77
0.81
0.8
0.8

Nhn xét : Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại.
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ.
Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định . Ngược lại, độ lợi
nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều
khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm.
b. Thc hin kho sát h thng vi b u khin PI ( K
P
=2, K
D

vt l, sai s xác lp, thi gian xác lp ca ngõ ra .
K
I

0.1
0.5
0.8
1
2
POT
0
0
0
2.5
12.65
e
xl

0
0

0
0
0
t
xl

110
60
20
11
8

Nhn xét : Khâu tỉ lệ tích cộng thêm khâu phân ( bộ điều khiển PI )so với bộ
điều khiển P sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư
sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu
tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị
hiện tại vọt lố tang vượt qua giá trị đặt .
Báo Cáo Thí Nghi T ng

20

c. Thc hin kho sát h thng vi b u khin PID ( K
P
=2, K
I
=2 ) và tính
 vt l, sai s xác lp, thi gian xác lp ca ngõ ra .
K
D

0.1
0.5
0.8
1
2
POT
11.2
10.6
10.4
16.15
24.3
e
xl

0
0
0
0
0
t
xl

8.5
5
5.5
7.5
9

Nhn xét : Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và
đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó,

điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi
thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp.
d. Nhn xét v ng ca các khâu trong b u khin PID .
- Giá trị K
P
càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ
lệ càng lớn. Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định
và dao động.
- Giá trị K
I
càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ
vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá
độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng
thái ổn định
- Giá trị K
D
càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá
độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi
phân sai số.

Báo Cáo Thí Nghi T ng

21

2. Khu khin v 
Xây du khin v  :


a. Chnh thi gian mô phng Stop time = 50s . Thc hin kho sát h thng vi
b u khin P ( K

I
=0, K
D
 vt l, sai s xác lp, thi gian
xác lp ca ngõ ra .
K
P

1
10
20
50
100
POT
0
6.67
6.82
Tín hing
bão hòa
e
xl

4
0.378
0.18
t
xl

2.68
2.2

3.06

Nhn xét : Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại.
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ.
Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định, dao động quanh
tín hiệu đặt . Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số
đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm.
b. Thc hin kho sát h thng vi b u khin PI ( K
P
=2, K
D

vt l, sai s xác lp, thi gian xác lp ca ngõ ra .
K
I

0.1
0.5
0.8
1
2
POT
3.62
52.22
55.2
41.853
Không
nh
e
xl

2.03
0.215
0
0
t
xl

1.954
13.38
13
12.7
Nhn xét : Khâu tỉ lệ tích cộng thêm khâu phân ( bộ điều khiển PI )so với bộ
điều khiển P sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư
sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu
Báo Cáo Thí Nghi T ng

22

tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị
hiện tại vọt lố tăng vượt qua giá trị đặt .

c. Thc hin kho sát h thng vi b u khin PI ( K
P
=2, K
I

vt l, sai s xác lp, thi gian xác lp ca ngõ ra .
K
I

0.1
0.5
0.8
1
2
POT
55.18
32.77
34.11
29.7
25.4
e
xl

0
0
0
0.1
0.57
t
xl

12.4
12
13.8
12.8
11.6

Nhn xét : Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và

đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó,
điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi
thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp.
d. Nhn xét v ng ca các khâu trong b u khin PID .
- Giá trị K
P
càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ
lệ càng lớn. Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định
và dao động.
- Giá trị K
I
càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ
vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá
độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng
thái ổn định
- Giá trị K
D
càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá
độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi
phân sai số

Báo Cáo Thí Nghi T ng

23

BÀI THÍ NGHIM 2

NG DNG MATLAB THIT K B U
KHIN CHO CÁC H THNG T NG

I. Thit k b hiu chnh sm pha .

a. Nhp công c sisotool nhp hàm truyn vào h thng . Da
h thng kho sát h thng có nh hay không ? Gii thích ?
Nhp các hàm truyn :



a h thng :
Báo Cáo Thí Nghi T ng

24


H thng không nh vì có cp cc phc nm na bên phi mt phng phc .
 ca h thng vu vào hàm nc :

b. Thit k b hiu chnh s h th vt l POT nh 
và thi gian xác lp nh t k này .

Báo Cáo Thí Nghi T ng

25

- Thêm khâu hiu chnh sm pha vào h thng [ Add Pole/Zero ] [ Lead ]

-  vt l và thi gian xác lp :