Báo cáo Thí nghiệm cơ sở tự động bài 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Bộ Môn Điều Khiển Tự Động
----------*---------`

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Bài Thí Nghiệm Số: 2

Họ và tên

MSSV


1. Mô phỏng mô hình điều khiển động cơ DC:
Trong bài thí nghiệm này ta sẽ khảo sát chất lượng hệ thống điều khiển vòng kín
được mô tả tổng quát như Hình 1. Mô hình này cho phép thay đổi số lượng các khâu tích
phân trong hàm truyền vòng hở làm thay đổi sai số xác lập và thay đổi các hệ số để tạo ra
nhiều dạng đáp ứng ngõ ra khác nhau.
Trong đó :
- SW_R cho phép chọn đầu vào là hàm nấc (step) hoặc hàm dốc (ramp) .
-

SW_Y cho phép chọn đầu ra điều khiển tốc độ hay vị trí động cơ DC.
Step

R( s)
SW_ R

E( s)
+

-

Speed

U( s)
C( s)

Y( s)

G( s)
SW_Y

PI

DC Motor

Ramp

Position
1/ s
Integrator

Hình 1. Mô hình điều khiển vòng kín động cơ DC dùng để khảo sát
chất lượng.
Giả sử hàm truyền bậc 2 của động cơ có dạng như sau:

Bộ điều khiển dùng khâu tỉ lệ và khâu tích phân có dạng như sau:

Dựa vào lý thuyết đã học, ta sẽ thực hiện mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển
vòng kín động cơ DC dùng bộ điều khiển hai khâu tỉ lệ-tích phân trong MAT AB
Simulink như hình sau:


Với K = 100, a = 0.05, b = 1.5. Ta xây dựng mô hình Simulink, chạy mô phỏng các
kết quả và tính toán các tiêu chuẩn chất lượng ứng với các trường hợp ở bảng 1 và Bảng 2.
Ta thu được bảng số liệu như sau:
Bảng 1: Đầu vào hàm nấc (Step):
Điều khiển vận tốc

Thời gian xác
lập
Thời gian
lên (s)
Độ vọt lố
(%)
Sai số xác
lập (v/p)

Điều khiển vị trí
Dùng khâu P
Dùng khâu PI
Kp=0.005,
Kp=0.005,
Ki=0
Ki=0.0005

Dùng khâu P

Kp=0.2, Ki=0

Dùng khâu PI
Kp=0.2,Ki=1

1.154

1.107

11.7

11.42

0.11

0.082

3.056

3.057

3.4

28

11,1

12,86

0.0476

0

0

0.026

Bảng 2: Đầu vào hàm dốc (Ramp):
Điều khiển vận tốc
Dùng khâu P
Dùng khâu PI
Kp=0.5, Ki=0
Kp=0.5,Ki=0.5
Sai số xác lập
(v/p)

0.0404

0

Điều khiển vị trí
Dùng khâu P
Dùng khâu P I
Kp=0.5, Ki=0
Kp=0.5 ,
Ki=0.5
0
0.0212

Nhận xét:

Sai số xác lập trong trong các trường hợp dùng hàm nấc và hàm dốc gần như tương
đương nhau.
• Tuy nhiên dạng đồ thị đáp ứng ngõ ra khác nhau rất lớn.
•

Ví dụ:


Đầu vào hàm nấc dùng khâu P điều khiển vận tốc.

Đầu vào hàm dốc dùng khâu P điều khiển vận tốc.


2. Thực hiện thí nghiệm khảo sát chất lượng hệ thống dùng các khối hàm
liên tục:
Các bước thí nghiệm
- Mở file Simulink motor_cont_ctrl0.mdl
-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}
- Biên dịch chương trình và chạy.
- Mở Scope xem đáp ứng và tính các tiêu chuẩn chất lượng hệ thống.
- Ghi lại các kết quả vào Bảng 3.
- Lưu hình ảnh đặc tuyến để so sánh các trường hợp.
- Lặp lại bước b) tới bước f) cho các giá trị ở Bảng 3 và Bảng 4.
Đầu vào hàm nấc (Step):
•
-

Điều khiển vận tốc SP=800v/p:

Dùng khâu P: Kp=0.2, Ki=0

Thời gian xác lập ts=0.539s Thời gian lên tr=0.503-0.071=0.432s
Độ vọt lố (%)=(0.975-0.960)/0.960 = 1.56%
Sai số xác lập (v/p) ess=1-0.960=0.04


-

Dùng khâu PI :Kp=0.2, Ki=0.5

Thời gian xác lập ts=1.869s Thời gian lên tr=0.525-0.073=0.452s
Độ vọt lố (%)=(1.421-1)/1 = 42.1%
Sai số xác lập (v/p) ess=0


•

Điều khiển vị trí SP=1000o
- Dùng khâu P: Kp=0.02, Ki=0

Thời gian xác lập ts=2.565s Thời gian lên tr=0.410-0.124=0.286s
Độ vọt lố (%)=(1.594-1.008)/1.008 = 57.83%
Sai số xác lập (v/p) ess=1.008-1=0.008

- Dùng khâu PI :Kp=0.02, Ki=0.005


Thời gian xác lập ts=3.855s Thời gian lên tr=0.400-0.123=0.277s
Độ vọt lố (%)=(1.683-1.005)/1.005 = 67.46%

Sai số xác lập (v/p) ess=1.005-1=0.005
Bảng 3: Đầu vào hàm nấc (Step):
Điều khiển vận tốc
Dùng khâu P
Kp=0.2, Ki=0
Thời gian xác
0.539s
lập (s)
Thời gian
0.432s
lên (s)
Độ vọt lố
1.56%
(%)
Sai số xác
0.04
lập (v/p)
Đầu vào hàm dốc (Ramp):

Dùng khâu PI
Kp=0.2, Ki=0.5

Điều khiển vị trí
Dùng khâu P
Dùng khâu PI
Kp=0.005,
Kp=0.005,
Ki=0
Ki=0.0005

1.869s

2.565s

3.855s

0.452s

0.286s

0.277s

42.1%

57.83%

67.46%

0

0.008

0.005


•
-

Điều khiển vận tốc SP=800v/p trong 10s:
Dùng khâu P: Kp=0.2, Ki=0

Sai số xác lập (v/p): ess=0.9029 - 0.8607 = 0.0422

-

Dùng khâu PI :Kp=0.2, Ki=0.5


Sai số xác lập (v/p): ess= 0
• Điều khiển vị trí SP=1000o trong 20s
- Dùng khâu P: Kp=0.03, Ki=0

Sai số xác lập (v/p): ess=0.7991 - 0.7807 = 0.0184


- Dùng khâu P: Kp=0.03, Ki=0.01

Sai số xác lập (v/p): ess=0

Bảng 4: Đầu vào hàm dốc (Ramp):
Điều khiển vận tốc
Dùng khâu P
Dùng khâu PI
Kp=0.5, Ki=0
Kp=0.5,Ki=0.5
Sai số xác lập
(v/p)

0.0422

0

Điều khiển vị trí
Dùng khâu P
Dùng khâu PI
Kp=0.5, Ki=0
Kp=0.5 ,
Ki=0.5
0.0184
0

Nhận xét:
-

Sai số xác lập khi dùng hàm nấc và hàm dốc đều khá nhỏ.
Dạng đồ thị đáp ứng ngõ ra rất khác nhau.
So với phần mô phỏng ở bảng 1 và bảng 2 có sự khác biệt nhỏ, không đáng kể.


3. Thực hiện thí nghiệm khảo sát chất lượng hệ thống dùng mạch khuếch
đại op-amp:
Các bước thí nghiệm
- Mở file Simulink motor_cont_ctrl1.mdl
- Trên hộp điều khiển PID dùng op-amp: tắt công tắc POWER, SW2, SW1 sang OFF và gỡ
tất cả R, C nếu có trên mạch
- Trên Matlab Simulink, ứng với mỗi thí nghiệm trong bảng chú ý thực hiện chính xác
lần lượt các bước sau: chọn dạng tín hiệu ngõ vào Step hay Ramp dùng SW_R cài
đặt giá trị ngõ vào chọn chế độ điều khiển vận tốc hay vị trí dùng SW_Y
- Trên hộp điều khiển PID dùng op-amp: gắn các linh kiện {Rp, Ri, Ci} vào theo các
giá trị trong bảng. Chú ý gắn đúng cực của các tụ.

- Biên dịch chương trình
- Bật công tắc POWER, SW1 sang ON. Bật SW2 sang ON nếu có sử dụng khâu I.
-Chạy chương trình
- Mở Scope để xem đáp ứng và tính các tiêu chuẩn chất lượng hệ thống
- Ghi lại các kết quả vào Bảng 5 và Bảng 6.
- Lặp lại bước b) tới bước h) cho các giá trị ở Bảng 5 và Bảng 6.
Đầu vào hàm nấc (Step):
•
-

Điều khiển vận tốc SP=800v/p:
Dùng khâu P: Rp=5k

Thời gian xác lập ts=0.542s Thời gian lên tr=0.497-0.075=0.422s
Độ vọt lố (%)=0%
Sai số xác lập (v/p) ess=1-(0.9852+0.9124)/2=0.0512


-

Dùng khâu PI: Rp=5k, Ri=2k, Ci=10u

Thời gian xác lập ts=1.727s Thời gian lên tr=0.559-0.083=0.476s
Yxl=(1.047+1.011)/2 = 1.029
Độ vọt lố (%)=(1.190 – 1.029) / 1.029= 15.64%
Sai số xác lập (v/p) ess=1.029-1=0.029

•

Điều khiển vị trí SP=1000o: Dùng khâu P: Rp=30k

Thời gian xác lập ts=3.398s Thời gian lên tr=0.564-0.182=0.382s
Yxl=1.048
Độ vọt lố (%)=(1.622 – 1.048) / 1.048= 54.77%
Sai số xác lập (v/p) ess=1.048-1=0.048
o Dùng khâu PI: Rp=30k, Ri=30k, Ci=10u

Thời gian xác lập ts=6.430s Thời gian lên tr=0.519-0.177=0.342s
Yxl=1.028
Độ vọt lố (%)=(1.966 – 1.028) / 1.028= 91.24%
Sai số xác lập (v/p) ess=1.028-1=0.028
Bảng 5: Đầu vào hàm nấc (Step):


Điều khiển vận tốc
Dùng khâu PI
Dùng khâu P
Rp=5k, Ri=2k,
Rp=5k
Ci=10u
Thời gian xác
lập (s)
Thời gian
lên (s)
Độ vọt lố
(%)
Sai số xác
lập (v/p)
•

-

0.542s

1.727s

3.398s

6.430s

0.422s

0.476s

0.382s

0.342s

0%

15.64%

54.77%

91.24%

0.029

0.048

0.028

0.0512

Điều khiển vận tốc SP=800v/p trong 10s:
Dùng khâu P: Rp=5k

Sai số xác lập (v/p) ess=0.4508-0.4139=0.0369

-

Điều khiển vị trí
Dùng khâu PI
Dùng khâu P
Rp=30k,
Rp=30k
Ri=30k, Ci=10u

Dùng khâu PI: Rp=5k, Ri=2k, Ci=10u


Sai số xác lập (v/p) ess=0.4682-0.450=0.0182
•

Điều khiển vị trí SP=1000o trong 20s:
- Dùng khâu P: Rp=10k

- Sai số xác lập (v/p) ess=0.8844-0.8731=0.0113

-

Dùng khâu PI: Rp=10k, Ri=30k, Ci=47u


Sai số xác lập (v/p) ess=0.9494-0.9013=0.0481

Bảng 6: Đầu vào hàm dốc (Ramp):
Điều khiển vận tốc
Dùng khâu P
Dùng khâu PI
Rp=5k
Rp=5k, Ri=2k,
Ci=10u
Sai số xác lập
(v/p)

0.0369

0.0182

Điều khiển vị trí
Dùng khâu PI
Dùng khâu P
Rp=10k,
Rp=10k
Ri=30k, Ci=47u
0.0113

0.0481

Nhận xét:
-

Sai số xác lập trong các trường hợp là khá nhỏ, tùy vào các khâu dùng cho hệ thống
và cách điều khiển mà có sự khác nhau.
Dạng đồ thị ngõ ra rất khác nhau tùy theo từng hệ thống.
So với phần mô phỏng ở bảng 1 và bảng 2, số liệu thu thập được có sự tương đương
khá lớn, sai số khá bé, nhưng dạng đồ thị thu nhận được khác nhau rất lớn. Khi hệ
thống đã xác lập, kết quả thí nghiệm cho ra có nhiễu làm ảnh hưởng tới kết quả đo
(phải lấy trung bình để đưa ra Yxl) trong khi chạy mô phỏng thì dạng sóng ngõ ra khá
đẹp mắt, dễ dàng nhận thấy các số liệu để thu thập.