Báo cáo tiểu luận thiết kế bộ Điều khiển pi cho con lắc Đơn

6 1.6 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIÊU KHIEN CỦA HỆ THỐNG RỜI RẠC PHẢN HỎI ÂM ĐƠN VỊ.. Phân tích chất lượng điều khiến của hệ thống rời rạc phản hồi âm đơn vị.. Thiết kế bộ điều khiển theo yêu

Trang 1

TỎNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TỒN ĐỨC THẮNG

THIET KE BO DIEU KHIEN PI CHO

THANH PHO HO CHi MINH, NAM 2021

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG BAO CAO TIEU LUAN

CON LAC DON

MON: Lí Thuyét Dieu Khién Tự Động 2 NHOM: 04

DE: 12

Người hướng dân: TS.NGUYÊN HOÀNG NAM

Người thực hiện Nguyễn Quang Thanh 41901134

Dương Trường Thịnh — 41703173 Trần Hữu Thắng 41703164

Nguyễn Phước Bảo Tín 41900574

Nguyễn Thanh Thiện 41703171

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TỒN DUC THANG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của các thành viên trong nhóm và được sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Hoàng Nam Các nội dung nghiên cứu, kết qua trong dé tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phan tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong bài tiểu luận còn sử đụng một số nhận xét, đánh giá cũng như

số liệu của các tác giả khác, cơ quan tô chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc rõ ràng

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung báo cáo của mình Trường Đại học Tôn Đức Thắng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do chúng tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng l1 năm 2021

Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn đến thầy (cô) của khoa Điện- Điện tử và đặc biệt

là TS.Nguyễn Hoàng Nam đã giúp đỡ nhiệt tình cũng như đóng góp ý kiến giúp chúng em hoàn thành đề tài tiêu luận Vì kiến thức còn hạn chế và chưa có nhiều

kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung của báo cáo không tránh khỏi thiếu sót, em rất

mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo thêm từ thầy (cô) đề có thể được hoàn thiện hơn Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng l1 năm 2021

Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 4

LITHUYET DIEU KHIEN TU DONG — Trang 1/34 THIET KE BO DIEU KHIEN PI CON LAC DON

Nguyễn Quang chuyển đổi qua dạng °

Thanh 41901134 mô hình không gian 100%

trạng thái Việt báo cáo

-Thiết kế bộ điều

khiển theo yêu cầu nhằm ổn định và nâng cao chất lượng điều

khiển của hệ thông

arene Trường 41703173 - So sánh tính ôn

Trần Hữu Thắng 41703164 | thống rời rạc phản hôi | 100%

âm đơn vị và viết báo cáo

Trang 5

LÍ THUYẾT ĐIÊU KHIỂN TỰ ĐỘNG Trang2/34 THIET KE BO DIEU KHIEN PI CON LAC DON

— DANH MUC CAC HINH V

Hình 2 I: Sơ đồ khôi hệ thông -.- Q2 1022112011101 111111111111 1111111111111 xk 7Y Hình 3 1: Mô hình con lắc đơn - 5: ©22+2222E2ES212251221221221211212112112121121212 xe 9 Hinh 3 2: Mô hình toán học của hệ thống ¬— & 9 Hình 3 3: Mô phỏng matlab hàm truyền liên tục của con lắc đơn 55s: 10 Hình 3 4: Mô phỏng mô hình không gian trạng thái - 5-55 22252222552 2ss252 13 Hình 3 5: Bảng Routh 2 2 1220121211121 1 12111121115 211 12111181112 011 10111112 H 1n Hài 14

Hình 3 6: Xác định hệ số Kp, Kv, Ka theo số khâu tích phân lí tưởng l6

Hình 3 7: Mô phỏng hàm truyền liên tục trên matlab 52 52 S522 e£22E££zz e2 18 Hình 3 8: Chuyên đôi hàm truyền liên tục sang hàm truyền rời rạc băng matlab 19 Hình 3 9: Bảng tiêu chuân Routh — Hurwitz mé TỘNE L2 2211221112211 1112k 20 Hình 3 10: Đánh giá chất lượng của hệ thống ¬ 22 Hình 3 II: Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển trên matlab2

Hình 5 3: Mô phỏng chất lượng điều khiên trên matlab 5255222222222 2E z2 34

Hình 5 4: Biểu đồ Bode hảm liên tục -52::2222+222211222211222211122211 E1 rt.cee 34

Hình 5 5: Biểu đồ Bode hàm rời rạc SH SE 11125111155 111115 15115115 ng 35 Hình 5 6: Quỹ đạo nghiệm số liên tục s5 5c 9E 2212112112112121111 212 2 1E nrteg 35 Hình 5 7: Quỹ đạo nghiệm Tả 6 36

Hình 5 8: Biểu dé Bode khi có bộ điều khiển PI ¿:- 52222222222 xrrrverrre 36

Hình 5 9: Mô phỏng Simulink chưa có bộ điều khiến 5-55 5e SE 2222221222222 37 Hình 5 10: Mô phỏng Simulink có bộ điều khiến 22-52222122 12221521231 xe2 37 Hình 5 11: Mô phỏng Simulink chưa có bộ điều khiến 52 5s s2 2E 2£, 38

NTH: Nhém 12 NHD: TS Nguyén Hoang Nam

Trang 6

LÍ THUYẾT ĐIÊU KHIỂN TỰ ĐỘNG Trang3/34 THIẾT KÉ BỘ ĐIÊU KHIỂN PI CON LẮC DON

4.2 Bảng phương pháp .c.c cà cà c2 30

Trang 7

1.1 TÌM HIỂU YÊU CẦU HỆ THỎNG ó2 2211111211111 11911 1101111101111 011811 11g yết 6 1.2 PHÂN TÍCH TÍNHỎN ĐỊNH CỦA HỆ THỒNG LIÊN TỤC PHẢN HỎI ÂM ĐƠN VỊ 6 1.3 PHAN TICH CHAT LUGNG DIEU KHIEN CUA HE THONG LIEN TUC PHAN HOI AM BON VI 6 1.4 ROIRAC HOA HAM TRUYEN HE THONG (CHUYEN DOI QUA DANG MO HiINH KHONG GIAN TRANGTHAI NEU CAN) .cccccccsssscsscssesecsesscsesecsecsecsevsecsessessesevssesessevsessevsessesssssssessuesseesseeaeenes 6 1.5 PHẦN TÍCH TÍNHỎN ĐỊNH CỦA HỆ THỒNG RỜI RẠC PHẢN HỎI ÂM ĐƠN VỊ 6 1.6 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIÊU KHIEN CỦA HỆ THỐNG RỜI RẠC PHẢN HỎI ÂM ĐƠN VỊ 6 1.7 THIET KE BO DIEU KHIEN NHAM ON BINH VA NANG CAO CHAT LUONG DIEU KHIEN CUA

HE THONG ccccccscssesecsessessessesecsscsevsecsessevsesesssesessevsecsessessesessssesseesessesessesessssesssssesseesseesesags 6 1.8 SOSANH TINH ON DINH VA CHAT LUONG DIEU KHIEN CUA HE THONG TRUGC VA SAU KHI ÁP DỤNG BỘ ĐIÊU KHIỂN - 2.21121101121111 1911 1181111101111 1111110111 111g g1 xếp 6 1.9 MÔ PHÒNG DÙNG MATLAB VÀ SIMULINK 2 L2 12t 2121 vn y1 1t rriey 6 1.10 TRINH BAY BAO CAO RO RANG VA CHI TIET THEO DINH DANG DO AN MON HOC 6

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU ĐÈ TÀI 7 CHUONG 3 PHAN TICH HE THONG 8

3.1 TÌM HIẾU MÔ HÌNH HỆ THỒNG ó2 1 11211 11211 11211111111 1111 1181111101111 1111 xe 8 3.2 MÔ HỈNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG: 2 L1 1212 21 1911211110111110111 1111011115 11 rxet 8

3.2.1 Mô hình hóa hầm IrHVỄH - 5.55: SE 2112212111212 se 9

3.3 MÔ HÌNH KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI: 2 222 212121111121 12111211111121 11 8H 10 3.4 RỒI RẠC HÓA HÀM TRUYÊN HỆ THỒNG 0 112012 1121111121111 1181111011101 111 ty 12

3.4.1 Mô tả hệ thống rồi rạc dùng MATLAB S5 5 St 2211 x26 13

3.5 PHAN TICH TINH ON ĐỊNH CỦA HỆ THÓNG RỜI RẠC PHÁN HỎI ÂM ĐƠN VỊ 13

Su dung tiéu chudén Routh — Hurwitz mo TỘ HỆ HH HH HH KH kh kh và 13 3.6 PHAN TICH CHAT LUGNG DIEU KHIEN CUA HE THONG ROI RAC PHAN HOI AM DON VI:

Trang 8

CHUONG 4 THIET KE BO DIEU KHIEN PI 19

4.1 GIGI THIEU VE BO DIEU KHIEN Plo cccccccccccccccccescnsecceseeessecsssceeeeseseenrsenseees 19 4.2 — CÁC YEU CAU CAN THIET cccccccccccccccccccccscecceecesscsseeceecesssecsescecseessseseeseneeeetsentarenses 19 4.3 THIET KE BO DIEU KHIEN Pliooeccccie ccc ccccccccccecccececsccsseseceeccsscsessenseecsecesseneeeeeeteeeens 20

4.4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH P| 1 n1 111111111 511151 2111010101 10101 101 11111 ngư 21

4.5 PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TRƯNG MONG MUN: L L Q c ST HH ninh r tờ 22

4.6 KẾT QUẢ Q.Q nh HH tk HH KH kg cru 22 4.7 SOSANH TINH ON DINH VA CHAT LUGNG DIEU KHIEN CUA HE THONG TRUGC VA SAU KHI AP DUNG BO DIEU KHIEN oo .ccccccccccccscccceeseccesscceseeseceseeecseseseeessseneeecseecensrsteneneeeseneneenees 22 4.8 KẾT LUẬN ng HH kg kg xxx ty 23

MO PHONG BANG MATLAB VA SIMULINK 24

4.9 MO PHONG MATLAB cece ccccccecccccescecceeececcesescnseccscesesscnseeccecccstenessceseeeteccnirenteeess 24 4.10 MÔ PHỎNG BẰNG SIMULINK L1 TT TH ng khen hy 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHAN DANH GIA CUA GIAO VIEN 35

Trang 9

3 Phân tích tính ôn định của hệ thống rời rạc phản hồi âm đơn vi

4 Phân tích chất lượng điều khiến của hệ thống rời rạc phản hồi âm đơn vị

5 Thiết kế bộ điều khiển theo yêu cầu nhăm 6n định và nâng cao chất lượng điều

khiến của hệ thống

6 So sánh tính ôn định và chất lượng điều khiển của hệ thống trước và sau khi áp dụng

bộ điều khiến

7 M6 phong dung Matlab va Simulink

§ Câu hỏi nâng cao: Đề ra phương pháp cải tiến bộ điều khiến để có chất lượng tốt hơn, thực hiện tính toán và mô phỏng cho phương pháp cải tiến này

9 Trình bày báo cáo rõ ràng va chỉ tiết

Trang 10

CHƯƠNG2 GIGI THIEU DE TAI

Thiết kế bộ điều khiến PI cho con lắc đơn có hàm truyền như sau:

- _ ZOH là bộ điều khiển mô tả tác động của chuyên đổi một tín hiệu thời gian rời rac

đến một tín hiệu liên tục theo thời gian bằng cách giữ mỗi giá trị mẫu cho một khoảng thời gian mẫu

-_ H() là bộ hỏi tiếp tín hiệu

- _ Ta chọn thời gian lay mau: T = 0.1(s)

- Yéu cau thiét ké bé diéu kién D(z) kiểu hỏi tiếp trạng thái

Trang 11

CHUONG 3 PHAN TICH HE THONG

® Giới thiệu m6 hinh hé thong: M6 hinh con lac don la m6t m6 hinh pho bien

trong lĩnh vực điều khiến gồm con lac don,chiéu dai day va déng co momen điện

® Trong vi du minh hoa này: tín hiệu vào tác động lên hệ thống là lực TỊ[].[] ].tín hiệu ra là khoảng dịch chuyên vị trí của vật nặng khỏi vị trí cân băng góc e(rad)

® Trong đó:

m: Khối lượng con lắc đơn

1: Chiều dài dây

o: Góc dịch chuyển của con lắc đơn

B: Hệ số ma sát nhớt

T(t)

l O(t)

m

Hình 3 1: Mô hình con lắc đơn

3.2 Mô hình toán học của hệ thông:

Ta có mô hình hệ thông con lắc đơn

= m.g.l.sin 6(t) + B 6’(t) +m 6’(t)

Đề chuyển đôi mô hình dễ tính toán, ta phải chuyên mô hình hệ thống sang hệ tuyến

tinh, nén Sin@(t) gan bang 0(t)

Trang 12

Ta cé: =m.g.l Ot) + B 6'(t) + m 0"(t)

3.2.1 M6 hinh hoa ham truyén

Áp dụng biên đôi Laplace, phương trình mô tả hệ thông ở trên được viết lại như sau: (m.+~B.s+m.g.]) 0(s) =

Ham truyén vong ho cua hé thong được dân ra với sự chuyên động của con lac don được xem như tín hiệu ra và lực tác động lên con lắc được xem như tín hiệu vào:

Biểu điễn hàm truyền vòng hở hệ thống chuyên động con lac don trong MATLAB:

W Editor - C\Users\Admin\Documents\code\ Untitled r

Hình 3 2: Mô phỏng matlab hàm truyền liên tục của con lắc đơn

3.3 Mô hình không gian trạng thái:

Trang 13

Li THUYET DIEU KHIEN TU BONG Trang 10/34 THIẾT KÉ BỘ ĐIÊU KHIỂN PI CON LẮC BON

Trang 14

LÍ THUYẾT ĐIÊU KHIỂN TỰ ĐỘNG Trang 11/344 THIẾT KE BO DIEU KHIEN PI CON LAC BON

Trang 15

LÍ THUYẾT ĐIÊỂU KHIỂN TỰ ĐỘNG Trang 12/34 THIẾT KÉ BỘ ĐIÊU KHIỂN PI CON LẮC BON

3.4 Rời rạc hóa hàm truyền hệ thống

Continuous-time transfer function

Hình 3 4: Mô phỏng hàm truyền liên tục trên matlab

Cho nên hàm truyền tương đương của hệ rời rạc :

Trong đó:

Do đó

_ 3.4.1 M6 ta hé thong roi rac ding MATLAB

Chuyên đôi từ hàm truyén lién tuc sang ham truyén roi rac

NTH : Nhóm 12 NHD: TS Nguyễn Hoàng Nam

Trang 16

lđ Editor - C\Users\Admin\Documents\code\Untitled3.m @® x Untitled.m ¢ Untitled2.m | Untitied3.m Untitled4.m Untitled6.m | Untitled7.m +

Sample time: 0.1 seconds

Discrete-time transfer function

Hinh 3 5: Chuyén đổi hàm truyền liền tục sang hàm truyền rời rạc bằng matlab

3.5 Phân tích tinh ôn định của hệ thống rời rạc phản hồi âm đơn vị

Sử dụng tiêu chuân Routh — Hurwitz mo rong:

Trang 17

Li THUYET DIEU KHIEN TU BONG — Trang 14/34 THIET KE BO DIEU KHIEN PI CON LAC BON

Hình 3 6: Bảng tiêu chuân Routh — Hurwitz mở rộng

Do tất cả các hệ số ở cột l của bảng Routh đều dương nên hệ thống ôn định

3.6 Phân tích chất lượng điều khiển của hệ thống rời rạc phản hồi âm đơn vị: Hàm truyền rời rạc của hệ thông:

Phương trinh đặc tính:

Giải nghiệm của phương trình ta được nghiệm phức:

- Thoi gian lén (rise time):

-_ Thời gian đỉnh (peak time):

Trang 18

Allowable tolerance

Sai so xác lập của hệ thông điêu khiên rời rạc có sơ đồ như trên là:

® Nêu tính hiệu vào là hàm nae don vi:

Đặt : Hệ số vị trí

® Nêu tính hiệu vào là hàm dỗc đơn vị:

Trang 19

Đặt : Hệ sô vận tốc

3.6.1 Mô tả chất lượng điều khiển của hệ thống rời rạc bang MATLAB

Overshoot (%): 27

At time (seconds): 1.22 System: mds_tf System: mds_tf

` Settling time (seconds): 3.06 - Final value: 0.56

Fe =ieii= Syslem: mds_Wí Ca ii tr niSi tin in|nỢ Er=r=r=r=reres=retererereteiaimimteisierereisiei=ie Rise time (seconds): 0.524 F

và giá trị xác lập (Steady State) :

® Thời gian quá độ là 3.06(s)

® Sai số xác lập là 2%

Tiêu đề	Thiết Kế Bộ Điều Khiển PI Cho Con Lắc Đơn
Tác giả	Nguyễn Quang Thanh, Dương Trường Thịnh, Trần Hữu Thắng, Nguyễn Phước Bảo Tớn, Nguyễn Thanh Thiện
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hoàng Nam
Trường học	Trường Đại học Tôn Đức Thắng
Chuyên ngành	Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động
Thể loại	Tiểu luận
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	3,47 MB