Bài thí nghiệm Cơ sở tự động

BÀI THÍ NGHIỆM 4

KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ

I. MỤC ĐÍCH

Trong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ khảo sát ảnh hưởng của các thông số trong bộ

điều khiển PID số lên chất lượng hệ thống (độ vọt lố, thời gian quá độ, sai số xác lập) trong

hai trường hợp điều khiển vận tốc và điều khiển vị trí động cơ DC.

Ngoài ra, bài thí nghiệm còn khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu lên chất lượng

hệ thống.

II. SƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Bộ điều khiển PID số

Sinh viên tham khảo giáo trình “Lý thuyết điều khiển tự động” để hiểu rõ hơn về bộ

điều khiển PID. Trong bài thí nghiệm này ta sẽ khảo sát bộ điều khiển PID số như sau:

K_IT z 1 K_Dz 1

G(z) 



2 z 1

T

z

2.2. Đặc trưng của các bộ điều khiển P, I, D

Điều khiển tỉ lệ (K_P) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng

không loại bỏ sai số xác lập. Điều khiển tích phân (K_I) sẽ loại bỏ sai số xác lập nhưng có thể

làm đáp ứng quá độ xấu đi. Điều khiển vi phân (K_D) có tác dụng làm tăng sự ổn định của hệ

thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ. Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển K_P, K_Ivà

K_Dlên hệ thống vòng kín được tóm tắt ở bảng bên dưới (Bảng 1).

Bảng 1: Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển K_P, K_Ivà K_D

Đáp ứng

vòng kín

Kp

Thời gian

lên

Vọt lố

Thời gian

xác lập

Sai số

xác lập

Giảm

Tăng

Giảm

Thay đổi nhỏ

Tăng

Giảm

Ki

Giảm

Loại bỏ

Kd

Thay đổi nhỏ

Giảm

Thay đổi nhỏ

Chú ý rằng các mối liên hệ này không chính xác hoàn toàn bởi vì K_P, K_Ivà K_Dphụ

thuộc vào nhau. Vì vậy, bảng này chỉ dùng tham khảo khi xác định các tham số K_P, K_Ivà K_D.

III. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

Sinh viên xem phần Mô tả thí nghiệm của Bài thí nghiệm số 4

Page 1 of 6

IV. CHUẨN BỊ TRƯỚC THÍ NGHIỆM

4.1. Điều khiển tốc độ mô hình động cơ DC

yellow

2

magenta

ek

uk

0.3s+1

Scope

Set point

(rpm)

Zero-Order

Hold

Transfer Fcn

Discrete

PID Controller

Hình 1. Sơ đồ Simulink mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ DC

Kp

z+1

1

Ki*T/2

z-1

I

ek

1

Ki

uk

z-1

Kd/T

Add

z

D

Kd

Hình 2. Bộ điều khiển PID số (Discrete PID Controller)

Giả sử mô hình động cơ có hàm truyền như trong mục 4.1 của Bài thí nghiệm số 4

với:

K  số thứ tự nhóm,   0.3

Xây dựng bộ điều khiển PID rời rạc với các yêu cầu sau:

a) Tạo file mô phỏng như ở Hình 1, trong đó bộ điều khiển PID số như ở Hình 2.

b) Cài đặt tốc độ đặt (Set point) = 800, và K_P= 1, K_I= K_D= 0, thời gian lấy mẫu

T  0.005s .

Chú ý: Khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID

controller” và thời gian lấy mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation ->

Configuration)

c) Chạy mô phỏng

d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập

e) Lặp lại bước b) tới d) với các tham số (K_P= 1, K_I= 10, K_D= 0). Nhận xét kết quả mô

phỏng trong 2 trường hợp khi không có khâu tích phân (K_I= 0) và có khâu tích phân

(K_I= 10)

4.2. Điều khiển vị trí mô hình động cơ DC

Xây dựng bộ điều khiển PID rời rạc với các yêu cầu sau:

a) Tạo file mô phỏng như ở Hình 3, trong đó bộ điều khiển PID số như ở Hình 2.

Page 2 of 6

b) Cài đặt vị trí đặt (Set point) = 100, và K_P= 5, K_I= 1, K_D= 0, thời gian lấy mẫu

T  0.005s .

Chú ý: Khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID

controller” và thời gian lấy mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation ->

Configuration)

c) Chạy mô phỏng

d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập

e) Lặp lại bước b) tới d) với các tham số (K_P= 5, K_I= 1, K_D= 1). Nhận xét kết quả mô

phỏng trong 2 trường hợp khi không có khâu vi phân (K_D= 0) và có khâu vi phân (K_D

= 1)

yellow

2

magenta

1

s

ek

uk

0.3s+1

Scope

Set point

(rad)

Zero-Order

Hold

Transfer Fcn

Integrator

Discrete

PID Controller

Hình 3. Sơ đồ Simulink mô phỏng điều khiển vị trí động cơ DC

V. THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM

5.1. Điều khiển tốc độ động cơ DC

Trong phần thí nghiệm này ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của các thông số K_P, K_I, K_Dtrong bộ

điều khiển PID, và thời gian lấy mẫu lên chất lượng của đáp ứng tốc độ động cơ.

a. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_P

Các bước thí nghiệm:

a) Mở file motor_speed_ctrl.mdl

b) Cài đặt tốc độ đặt (Set point) = 800 v/p, và K_P= 0.02, K_I= K_D= 0, thời gian lấy mẫu

T  0.005s .

Chú ý: Khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID

controller” và thời gian lấy mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation ->

Configuration)

c) Biên dịch chương trình và chạy

d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập

e) Ghi lại các kết quả vào Bảng 2

f) Lặp lại bước d) tới e) với các tham số K_Pcòn lại như trong Bảng 2.

Bảng 2. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_P(K_I= 0, K_D= 0)

K_P

0.02

0.05

0.1

0.2

0.5

1

Thời gian xác lập (s)

Độ vọt lố (%)

Sai số xác lập (v/p)

Page 3 of 6

b. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_I

Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.1.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 3.

Bảng 3. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_I(K_P= 0.02, K_D= 0)

K_I

0.02

0.05

0.1

0.2

0.5

1

Thời gian xác lập (s)

Độ vọt lố (%)

Sai số xác lập (v/p)

c. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu T

Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.1.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 4.

Bảng 4. Khảo sát ảnh hưởng của tham số T (K_P= 0.02, K_I= 0.1, K_D= 0)

T

0.005

0.01

0.02

0.03

0.05

Thời gian xác lập (s)

Độ vọt lố (%)

Sai số xác lập (v/p)

5.2. Điều khiển vị trí động cơ DC

Trong phần thí nghiệm này ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của các thông số K_P, K_I, K_D

trong bộ điều khiển PID, và thời gian lấy mẫu lên chất lượng của đáp ứng vị trí động cơ.

a. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_P

Các bước thí nghiệm:

a) Mở file motor_pos_ctrl.mdl

b) Cài đặt vị trí đặt (Set point) = 1000⁰, và K_P= 0.005, K_I= K_D= 0, thời gian lấy mẫu

T  0.005s .

Chú ý: Khi thay đổi thời gian lấy mẫu ta phải thay đổi T trong khối “Discrete PID

controller” và thời gian lấy mẫu của toàn hệ thống (vào menu Simulation ->

Configuration)

c) Biên dịch chương trình và chạy

d) Mở scope để xem đáp ứng, xác định độ vọt lố, thời gian quá độ và sai số xác lập

e) Ghi lại các kết quả vào Bảng 5

f) Lặp lại bước d) tới e) với các tham số K_Pcòn lại như trong Bảng 5.

Bảng 5. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_P(K_I= 0, K_D= 0)

K_P

0.005

0.02

0.05

0.1

0.2

0.5

Thời gian xác lập (s)

Độ vọt lố (%)

Sai số xác lập (độ)

Page 4 of 6

b. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_I

Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.2.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 6.

Bảng 6. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_I(K_P= 0.02, K_D= 0)

K_I

0.002

0.005

0.01

0.02

0.05

0.1

Thời gian xác lập (s)

Độ vọt lố (%)

Sai số xác lập (độ)

c. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_D

Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.2.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 7.

Bảng 7. Khảo sát ảnh hưởng của tham số K_D(K_P= 0.02, K_I= 0.02)

K_D

0.0005

0.001

0.005

0.01

0.05

0.1

Thời gian xác lập (s)

Độ vọt lố (%)

Sai số xác lập (độ)

d. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lấy mẫu T

Thực hiện các bước thí nghiệm như phần 5.2.a, ghi lại các kết quả vào Bảng 8.

Bảng 8. Khảo sát ảnh hưởng của tham số T (K_P= 0.02, K_I= 0.02, K_D= 0.002)

T

0.005

0.01

0.03

0.05

0.1

Thời gian xác lập (s)

Độ vọt lố (%)

Sai số xác lập (độ)

Page 5 of 6

Báo cáo thí nghiệm

Họ và tên:

Nhóm:

Ngày:

1. Dựa vào các kết quả thí nghiệm ở mục 5.1, nhận xét ảnh hưởng của các tham số K_P, K_I,

K_D, và thời gian lấy mẫu lên chất lượng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ.

................................................................................................................................................................

2. Dựa vào các kết quả thí nghiệm ở mục 5.2, nhận xét ảnh hưởng của các tham số K_P, K_I,

K_D, và thời gian lấy mẫu lên chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ.

................................................................................................................................................................

Page 6 of 6

Bài thí nghiệm Cơ sở tự động - Bài thí nghiệm 4