BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 5 QUẠT VÀ TẤM PHẲNG

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 5

QUẠT VÀ TẤM PHẲNG

GVHD:
Họ và tên SV:
MSSV:
Nhóm:

Nguyễn Tuấn An
Võ Thống
41203674
A17

III. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM.

III.1 Mục đích thí nghiệm:
Mô hình quạt và tấm phẳng chứa rất nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thống như: thời hằng
motor, thời gian trễ của luồng khí, cực cộng hưởng và đặc biệt là chịu sự ảnh hưởng của nhiễu
động lớn. Ngoài ra, mô hình này là một mô hình phi tuyến, cho phép sinh viên có thể khảo sát hệ
thống ở các điểm làm việc khác nhau.
Trong bài thí nghiệm này, sinh viên tập trung khảo sát các vấn đề sau:
•
•
•
•

Liên hệ giữa tốc độ quay của motor và lực đẩy của quạt.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian trễ lên chất lượng và đáp ứng của hệ thống.
Khảo sát và thiết kế bộ điều khiển PID xung quanh điểm làm việc tĩnh. Khảo sát ảnh
hưởng của các đặc tính phi tuyến của hệ thống lên chất lượng điều khiển.

Xây dựng biểu đồ Bode cho hệ thống. Từ đó xây dựng bộ điều khiển đảm bảo chất
lượng điều khiển dựa trên phương pháp biểu đồ Bode.

III.2 Chuẩn bị thí nghiệm:
• Khảo sát đáp ứng của hệthống trong ba trường hợp đối với thời gian trễ τ = 0 , τ = 0,02s và τ
=0,1s .
- Mô hình động cơ:
-Mô hình dòng khí đi từ tấm quạt đến cánh phẳng:
-Mô hình mô tả lực tác động lên tấm phẳng:
*Nhiễu tác động lên hệthống là nhiễu trắng với công suất là 0.001.
Page 1 of 22
Page 1 of 22


* Sơ đồ thiết kế:

*τ = 0:

*τ = 0,02:

Page 2 of 22
Page 2 of 22


*τ = 0,1:

• Khảo sát và thiết kếbộ điều khiển PID cho trường hợp τ = 0,02s
* Sơ đồ thiết kế:

*Kcr=8,85 => Kp = 4,425.

Page 3 of 22
Page 3 of 22


*Thiết kế ta chọn được: Ki = 1, KD = 2.

IV. THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ.
IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ thống:
IV.1.1 Trường hợp 1:
Đặt quạt ở vị trí 1 như Hình 2, thay đổi điện áp từ thấp đến cao, xác định góc nghiêng của tấm
phẳng, ghi giá trị vào Bảng 2.
Chú ý: góc nghiêng được xác định ở vị trí xác lập.

Page 4 of 22
Page 4 of 22


Page 5 of 22
Page 5 of 22


Page 6 of 22
Page 6 of 22


Bảng 2: Liên hệ giữa tốc độ quạt và góc nghiêng của tấm phẳng trường hợp 1
Điện áp (V)
6
8

10
12
14
16
18
Tốc độ (Ω)
556.2
748
934.8
1120
1303
1482
1667
Góc (Ψ )
2.628
4.608
6.416
9.634
11.45
14.98
16.63
K1
92.7
93.5
93.48
93.333
93.071
92.625
92.611
K0

8.5E-06 8.24E-06 7.34E-06 7.68E-06 6.74E-06 6.82E-06 5.984E-06
Đồ thị của K1 và k0 . Nhận xét.

Đồ thị của K1 gần như là đường thẳng nằm ngang, hay ta có thể nói K1 không phụ thuộc vào điện
áp và tốc độ, còn K0 có xu hướng tăng ở điện áp 12v sau đó thì giảm và tăng nhẹ ở điện áp 16v
sau đó tiếp tục giảm.
IV.1.2 Trường hợp 2
Đặt quạt ở vị trí 2 như Hình 3, thay đổi tốc độ của quạt từ thấp đến cao, xác định góc nghiêng
của tấm phẳng, ghi giá trị vào Bảng 3.

Page 7 of 22
Page 7 of 22


Page 8 of 22
Page 8 of 22


Bảng 3: Liên hệ giữa tốc độ quạt và góc nghiêng của tấm phẳng trường hợp 2
Điện áp (V)
6
8
10
12
14
16
18
Tốc độ (Ω)
556.5
748.6

936
1123
1309
1490
1674
Góc (Ψ )
2.7
5.472
7.272
9.756
12.17
13.9
15.95
K1
92.75
93.575
93.6
93.583
93.5
93.125
93
K0
8.72E-06 9.76E-06
8.3E-06 7.74E-06
7.1E-06 6.26E-06 5.692E-06
Đồ thị của K1 và k0:

Đồ thị của K1 gần như là đường thẳng nằm ngang, hay ta có thể nói K1 không phụ thuộc vào điện
áp và tốc độ, còn K0 có xu hướng tăng ở điện áp 8v sau đó thì giảm

Page 9 of 22
Page 9 of 22


***Nhận xét chung: K1 dường như là một hằng số không đổi trong suốt quá trình, còn k0 có xu
hướng giảm dù đã tăng ở một vài vị trí nhưng không đáng kể.

IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế bộ điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols
IV.2.1.1 Trường hợp 1:
Kgh = 0.846
Tu = 0.786
Đáp ứng của hệ thống tại Kgh :

Page 10 of 22
Page 10 of 22


Thông số Bộ điều khiển
Kp = Kp0 =0.5076
Ki = Ki0 = 0.393
Kd = Kd0 = 0.09825

Thời gian xác lập là 7.368
IV.2.2 Trường hợp 2:
Kgh = 0.9348
Tth = 0.7175
Đáp ứng của hệ thống:

Page 11 of 22
Page 11 of 22

Thông số Bộ điều khiển
Kp = Kp1 = 56088
Ki = Ki1 = 0.35875
Kd = Kd1 = 0.0896875

Page 12 of 22
Page 12 of 22


Thời gian xác lập là 12.5 s
IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều khiển:
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số lên hệ thống trong trường hợp Quạt đặt ở vị trí 1
1. Ảnh hưởng của Kp

Page 13 of 22
Page 13 of 22


Page 14 of 22
Page 14 of 22


Kp=Kp0/2
Kp = Kp0
Kp = 2×Kp0
Thí nghiệm
POT
2

3.7
1.9
Thời gian xác lập
7.6
7.37
9.36
Sai số xác lập
0
0
0
Nhận xét ảnh hưởng của Kp đến chất lượng hệ thống: thời gian xác lập tăng khi Kp tăng
2. Ảnh hưởng của Ki

Page 15 of 22
Page 15 of 22


Thí nghiệm
POT
Thời gian xác lập
Sai số xác lập

Ki=Ki0/2
0.8
14.85
0

Ki
3.7
7.37

0

Ki = 2×Ki0
3
4.41
0

Nhận xét ảnh hưởng của Ki đến chất lượng hệ thống: thời gian xác lập và độ vọt lố tăng khi K i
tăng
3. Ảnh hưởng của Kd

Page 16 of 22
Page 16 of 22


Kd=Kd0/2
Kd
Kd = 2×Kd0
Thí nghiệm
POT
9.1
3.7
5.5
Thời gian xác lập
14
7.37
8.5
Sai số xác lập
0
0

0
Nhận xét ảnh hưởng của Kd đến chất lượng hệ thống: độ vọt lố giảm khi tăng Kd
IV.2.4 Khảo sát kết quả điều khiển ở các góc đặt khác nhau
Đặt quạt ở vị trí 1 như Hình 2, với thông số điều khiển PID trong trường hợp IV.2.1.1, xác
định đáp ứng của hệ thống cho các trường hợp góc đặt mong muốn là θd = 50,10 ,0 150 .

Page 17 of 22
Page 17 of 22


Page 18 of 22
Page 18 of 22


IV.3 Thí nghiệm 3:
IV.3.1 Trường hợp 1:
Đặt quạt ở vị trí 1
Vẽ đáp ứng, tìm các thông số tương ứng và điền vào Bảng 4
ω(rad/s)
A/A0
L(dB)
∆t
∆ϕ(0)

Bảng 4: Khảo sát biểu đồ Bode trong trường hợp 1
0.1
1
5
10
15

1.7375
1.08
1.7825
0.837
0.27
4.798
0.668
5.021
-1.545
-11.373
2.21
0.5
0.22
0.3125
0.26

20
0.1035
-19.701
0.2

-12.662

-229.183

-28.648

-63.025

-179.049

-223.453

Vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống:
Page 19 of 22
Page 19 of 22


ωc = 7.9 rad/s
ω-π = 10.5 rad/s
GM = 12dB
ΦM = 230
IV.3.2 Trường hợp 2:
Đặt quạt ở vị trí 2 như Hình 3, Vẽ đáp ứng, tìm các thông số tương ứng và điền vào Bảng 5
Bảng 5: Khảo sát biểu đồ Bode trong trường hợp 1
ω(rad/s)
A/A0
L(dB)
∆t

0.1
1.422
3.058
2.86

1
1.017
0.146
0.5175

5
1.583
3.99
0.1625

10
0.891
-1.002
0.33

15
0.531
-5.498
0.26

20
0.126
-17.993
0.199

∆ϕ(0)

-16.387

-29.65

-46.553

-189.076

-223.453

-228.037

Vẽ biểu đồ Bode cho hệ thống:

ωc = 7.2 rad/s
ω-π = 8.5 rad/s
GM = 7dB
ΦM = 50

Page 20 of 22
Page 20 of 22


V. BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

1. Trình bày kết quả mô phỏng mục III.2 Chuẩn bị thí nghiệm:
Đã trình bày trong phần chuẩn bi.
2. Vị trí quạt ảnh hưởng như thế nào đến hệ số k ở IV.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát vật lý hệ
thống:.
Vị trí quạt không làm ảnh hưởng đến K1, còn K0, vị trí thứ nhất thì K0 giảm ổn định hơn ở
vị trí thứ 2, vì ở vị trí thứ 2 K0 tăng giảm nhiều lần nhưng nhìn chung thì nó vẫn giảm.

3. Vị trí quạt ảnh hưởng như thế nào đến Kgh và Tu ở IV.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế bộ điều
khiển PID dùng phương pháp Ziegler-Nichols.
 Kgh ở vị trí thứ nhất bé hơn so với Kgh ở vị trí thứ 2 ( lần lượt là 0.846 và 0.934)
 Tu ở vị trí thứ nhất lớn hơn so với Tu ở vị trí thứ 2 ( lần lượt là 0.786 và 0.7175)
4. Ảnh hưởng của các thông số Kp Ki Kd, , ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng điều khiển
của hệ thống IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều khiển:. So sánh với kết quả

khảo sát mô phỏng?
Khi KP tăng:
 Thời gian xác lập tăng .
 Độ vọt lố tăng.
 Sai số xác lập dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng.
Khi Ki tăng :
 Thời gian xác lập tăng.
 Độ vọt lố tăng.
 Sai số xác lập giảm.
Khi Kd tăng :
 Thời gian xác lập tăng.
 Độ vọt lố giảm.
Page 21 of 22
Page 21 of 22


 Sai số xác lập hầu như bằng 0.
So với kết quả khảo sát mô phỏng ta thấy gần chính xác vì có sự sai số trong khi đo đạc.
5. Nhận xét chất lượng điều khiển khi trong trường hợp điều khiển cho các điểm làm việc tỉnh
khác nhau ở IV.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều khiển:. Giải thích?
 Khi ta điều khiển các thông số quanh điểm làm việc tĩnh, có những thông số sẽ giúp thời
gian quá độ nhanh hơn nhưng POT lại lớn hoặc sai số xác lập cao, một số trường hợp thì
POT thấp nhưng các thông số khác không được tốt. Nếu để làm việc ở chế độ của điểm
tĩnh thì sẽ hài hòa được giữa các chỉ số.
6. Xác định đỉnh cộng hưởng, tần số cộng hưởng ở IV.3 Thí nghiệm 3:. Xác định hàm truyền
của hệ thống trong 2 trường hợp.
 Đỉnh cộng hưởng ở khoảng tần số 8 rad/s.
7. Tính độ dự trữ biên, pha của hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển dựa trên kết quả khảo sát
trong trường hợp quạt ở vị trí 1 để đảm bảo GM >10dB, Φ >M 450
Thiết kế khâu sớm pha:

Ta chọn:

với =130

Ta dùng biểu đồ bode trên TH1 để xác định, ta có:

Suy ra:

Vậy:

Page 22 of 22
Page 22 of 22