ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA CƠ KHÍ - BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
-------------------
BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI:
NHẬN DẠNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT LẬP BỘ ĐIỀU
KHIỂN CHO HỆ THỐNG LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ
Giảng viên hướng dẫn : TS. TRẦN NGÔ QUỐC HUY
Sinh viên thực hiện :
Trương Đình Khang
Võ Thanh Ba
Lớp
:
124HTCDT2001
Đà Nẵng, tháng 12 năm 2024
LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa điều
khiển các quy trình ngày càng đóng một vai trò quan trọng. Đặc biệt trong những lĩnh
vực điều khiển tự động. Mức độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng cao thì yêu
cầu về độ chính xác và sự vền vững của hệ thống ngày càng được chú trọng. Điều đó
tương đương với việc chúng ta cần có một bộ điều khiển có thể hoạt động ổn định lâu
dài.
Một hệ thống điều khiển tự động trên thực tế luôn hoạt động trong các môi trường
khắc nghiệt và chịu nhiều tác động từ các tác nhân bên ngoài làm cho các thành phần
không chắc chắn bên trong hệ thống bị thay đổi đặc tính, điều đó dẫn đến khó khăn trong
việc điều khiển. Như vậy, theo thời gian thì đặc tính của đối tượng sẽ dần thay đổi và
không còn như lúc ban đầu, do ta cần xây dựng một bộ điều khiển PID bền vững để điều
khiển hệ thống tuân thủ theo những ràng buộc ổn định đã đặt ra.
Nhận thấy yêu cầu của việc điều khiển bền vững trong môi trường công nghiệp
hiện đại cùng với được kế thừa xu thế phát triển của thời đại và những kiến thức quý
báu được thầy cô truyền đạt tại trường, nhóm tác giả quyết định lựa chọn đề tài “Thiết
lập bộ điều khiển bền vững cho hệ thống lò nhiệt điện trở” nhằm bước đầu xây dựng
nên nền tảng cơ bản của hệ thống điều khiển tự động và bền vững, làm tiền đề sau này
tiếp tục phát triển lên và ứng dụng vào thực tiễn. Trong thời gian thực hiện đề tài, được
sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Ngô Quốc Huy, nhóm tác giả: Trương Đình Khang
và Võ Thanh Ba đã cố gắng hoàn thành đề tài một cách tốt nhất. Tuy nhiên, với kiến
thức còn hạn chế, kinh nghiệm, kỹ năng còn thiếu, mặc dù cố gắng nhiều bên cạnh đó
vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung, hoàn thiện hơn. Mong thầy thông cảm và góp ý để
đề tài của nhóm hoàn thiện hơn, có thể phát triển và được ứng dụng trong thời gian sắp
tới.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ 3
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THAM SỐ OFFLINE ................................... 1
1.1. Thiết lập hàm truyền hệ thống với các chu kỳ lấy mẫu khác nhau ............... 1
1.1.1. Hàm truyền với chu kỳ 40s ................................................................. 1
1.1.2. Thiết lập hàm truyền với chu kỳ lấy mẫu 20s ..................................... 4
1.1.3. Thiết lập hàm truyền với chu kỳ lấy mẫu 10s ..................................... 5
1.1.4. Thiết lập hàm truyền với chu kỳ lấy mẫu 1s ....................................... 7
1.2. Kích thước của vector mà ma trận với các chu kỳ lấy mẫu .......................... 8
1.3. Khảo sát đặc tính động học của các hàm truyền ........................................... 8
1.3.1. Khảo sát hàm truyền hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 40s ...................... 9
1.3.2. Khảo sát hàm truyền hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 20s .................... 10
1.3.3. Khảo sát hàm truyền hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 10s .................... 10
1.3.4. Khảo sát hàm truyền hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 1s ....................... 11
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THAM SỐ BẰNG MATLAB ..................... 13
2.1. Thiết lập hàm truyền hệ thống bậc hai bằng MATLAB ............................. 13
2.1.1. Tiến hành nhận dạng trên MATLAB ................................................. 13
2.2. So sánh kết quả hàm truyền hệ thống trên hai phương pháp ...................... 17
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ....................................... 19
3.1. Xác định các ràng buộc đối với khâu khuếch đại của bộ điều khiển .......... 19
3.2. Lựa chọn Ti để bộ điều khiển đảm bảo các thông số bền vững .................. 22
3.3. Mô phỏng bộ điều khiển với các hàm truyền đã nhận dạng ....................... 24
3.4. Kiểm tra sự ổn định của các hệ thống trên bằng biểu đồ Nyquist .............. 25
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 28
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB .................................................................................... 29
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Đáp ứng hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 40s. ................................................ 9
Hình 1.2. Đáp ứng hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 20s. .............................................. 10
Hình 1.3. Đáp ứng hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 10s. ............................................... 11
Hình 1.4. Đáp ứng hệ thống với chu kỳ lấy mẫu 1s. ................................................. 11
Hình 2.1. Tạo file Excel để đưa vào MATLAB. ...................................................... 13
Hình 2.2. Đọc dữ liệu từ file Excel........................................................................... 13
Hình 2.3. Giao diện của System identification. ........................................................ 14
Hình 2.4. Khai báo và tải dữ liệu lên Toolbox. ........................................................ 15
Hình 2.5. MATLAB dựng biểu đồ dựa trên dữ liệu đầu vào và đầu ra .................... 15
Hình 2.6. Chọn các kiểu hàm truyền. ....................................................................... 16
Hình 2.7. Chọn khâu quán tính cho hàm truyền. ...................................................... 16
Hình 2.8. Kết quả phân tích của phần mềm. ............................................................ 17
Hình 2.9. Đáp ứng hàm truyền của hai phương pháp............................................... 17
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống lò nhiệt điện trở ....................................................... 19
Hình 3.2. Xác định giá trị biên độ tần số cắt. ........................................................... 19
Hình 3.3. Tìm giới hạn hệ số K đảm bảo độ dự trữ phase ....................................... 20
Hình 3.4. Độ dự trữ mô-đun. .................................................................................... 21
Hình 3.5. Đáp ứng hệ thống với độ khuếch đại khác nhau ...................................... 21
Hình 3.6. Đáp ứng hệ thống với hệ số khâu tích phân khác nhau. ........................... 22
Hình 3.7. Độ dự trữ phase với hệ số khâu tích phân khác nhau. .............................. 23
Hình 3.8. Độ dự trữ mô-đun với hệ số khâu tích phân khác nhau. .......................... 23
Hình 3.9. Sơ đồ khối mô phỏng các hàm truyền hệ thống ....................................... 24
Hình 3.10. Đáp ứng các hàm truyền với bộ điều khiển ............................................ 25
Hình 3.11. Xét cực ổn định của các hệ hở bằng MATLAB...................................... 26
Hình 3.12. Đánh giá hệ hở theo tiêu chuẩn ổn định Nyquist. .................................. 26
Hình 3.13. Đánh giá hệ kín của MATLAB ............................................................... 27
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Dữ liệu đầu vào và đầu ra với chu kỳ lấy mẫu 40s .................................... 1
Bảng 1.2.Bảng biến đổi z cho hệ thống rời rạc .......................................................... 4
Bảng 3.1. Bảng Routh xét điều kiện ổn định hệ thống ............................................. 20
Bảng 3.2. Bảng kết luận chọn thông số cho bộ điều khiển. ..................................... 24