ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG
o0o

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO
Giảng viên hướng dẫn: LÊ QUANG THUẦN

Sinh viên thực hiện (Lớp L01 - Tổ 04):
Lớp L01 - Tổ 04:
Huỳnh Nguyễn Đức Phúc Hậu

1910170

Lê Văn Hiệu

1910188

Lớp L02 - Tổ 04:
Nguyễn Bùi Nguyên Khoa

1910270

Lớp L02 - Tổ 03:
Trần Quốc Hưng

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 6 năm 2022

h

1910230


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

MỤC LỤC
BÀI 2.
ĐIỀU KHIỂN HỆ QUẠT VÀ TẤM PHẲNG...........................................................................1
1 Khảo sát đáp ứng của hệ thống.....................................................................................1
2 Thiết kế bộ điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler – Nichols...........................15
3 Khảo sát đáp ứng tần số của hệ thống xung quanh điểm làm việc tĩnh...................23
BÀI 3: ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC DÙNG BỘ TỰ CHỈNH STR (SELFTUNING REGULATOR).........................................................................................................42
I. MỤC ĐÍCH..................................................................................................................42
II. THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM....................................................................................42
1. Nhận dạng hàm truyền đối tượng..............................................................................42
2. Xây dựng bộ điều khiển tự chỉnh theo phương pháp đặt cực miền liên tục...........47
3. Xây dựng bộ điều khiển tự chỉnh theo phương pháp đặt cực miền rời rạc............52
BÀI 4: ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI AUTO TUNNING.................................................................................................................................. 60
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM........................................................................................60
II. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.........................................................................................60
1. Tìm độ lợi tới hạn và chu kỳ tới hạn của hệ thống để cài đặt thông số cho bộ điều
khiển PID...................................................................................................................60

h


Báo cáo Đo lường Công nghiệp


GVHD: KS.Lê Quang Thuần

2.Điều khiển thích nghi PID - auto tunning..................................................................61

BÀI 5. ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP BIẾN TRẠNG THÁI.........................................................63
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM........................................................................................63
II. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.........................................................................................63
1. Tìm thơng số của hệ xe- lị xo.....................................................................................63
2. Điều khiển vị trí xe 1...................................................................................................68
Bài chuẩn bị thí nghiệm - Lê Văn Hiệu....................................................................................76
Bài chuẩn bị thí nghiệm - Nguyễn Bùi Nguyên Khoa...........................................................123
Bài chuẩn bị thí nghiệm - Trần Quốc Hưng..........................................................................154

h


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

BÁO CÁO BÀI THÍ NGHIỆM 2:
ĐIỀU KHIỂN HỆ QUẠT VÀ TẤM PHẲNG
5.1 Khảo sát đáp ứng của hệ thống
Trong thí nghiệm này, nhóm sinh viên thực hiện khảo sát 2 yếu tố:
- Khảo sát mối liên hệ giữa điện áp và tốc độ quạt

ở phương trình (1):

(1)
- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ quạt tới góc nghiêng của tấm phẳng. Từ mơ hình lý thuyết của hệ

thống mục 3.1, trong phạm vi góc khảo sát nhỏ ta có thể xem liên hệ giữa góc nghiêng và tốc độ
quạt theo cơng thức (5) sau:
(5)
5.1.1 Trường hợp 1
Đặt quạt ở vị trí 1,thay đổi điện áp từ thấp đến cao, nhóm sinh viên thu được kết quả tốc độ quạt và
góc nghiêng của tấm phẳng (trong đó góc nghiêng của tấm phẳng được xác định ở vị trí xác lập), ghi
giá trị vào Bảng 2 như sau:
Bảng 2: Liên hệ giữa tốc quạt và góc nghiêng của tấm phẳng trường hợp 1
Điện áp (V)

4

6

8

10

Tốc độ(rpm) 152.6

351.3

548.4

737.9

927.4

Góc (độ)


0.144

0.854

2.518

5.084

7.620

76.3

87.8

91.4

92.2

92.7

6.18

6.92

8.37

9.34

8.86


12

14

16

18

Tốc độ(rpm) 1116

1301

1489

1674

Góc (độ)

9.65

11.23

12.2

14.58

93.00

92.93


93.06

93.00

(

)

Điện áp (V)

2

1

h


Báo cáo Đo lường Cơng nghiệp

(

)

7.75

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

6.64

5.50


5.20

Hình ảnh minh chứng: đáp ứng tốc độ quạt đối với từng mức điện áp từ thực nghiệm ở trường hợp
1:
2V
Tin hieu dat
Ngo ra

200

150

100

50

0

0

2

4

6

8

10


12

14

16

18

20

4V
Tin hieu dat
Ngo ra

400

350

300

250

200

150

100

50


0

0

2

4

6

8

10

12

14

2

h

16

18

20



Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

6V

700

Tin hieu dat
Ngo ra

600

500

400

300

200

100

0

0

2

4


6

8

10

12

14

16

18

20

8V

900

Tin hieu dat
Ngo ra

800

700

600


500

400

300

200

100

0

0

2

4

6

8

10

12

3

h


14

16

18

20


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

10V

1200

Tin hieu dat
Ngo ra

1000

800

600

400

200


0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

12V

1400

Tin hieu dat
Ngo ra


1200

1000

800

600

400

200

0

0

2

4

6

8

10

12

4


h

14

16

18

20


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

14V

1600

Tin hieu dat
Ngo ra

1400

1200

1000

800


600

400

200

0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20


16V

1800

Tin hieu dat
Ngo ra

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

0

2


4

6

8

10

12

5

h

14

16

18

20


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

18V

2000


Tin hieu dat
Ngo ra

1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0

0

2

4

6

8

10

12

14


16

18

20

Từ các số liệu thu thập và tính tốn được trong bảng 2: Vẽ đặc tuyến của
cũng như đặc tuyến của

theo điện áp ngõ vào thu được kết quả như sau:

6

h

theo điện áp đầu vào


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần
Đặc tuyến K1 - V

94

92

90


Hệ số K1

88

86

84

82

80

78

76

2

4

6

8

10

12

Điện áp đầu vào V


7

h

14

16

18


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần
Đặc tuyến k0 - V

9.5

9

8.5

Hệ số k 0

8

7.5

7


6.5

6

5.5

5

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Điện áp ngõ vào V

Nhận xét trường hợp 1:
- Đồ thị đặc tuyến


theo điện áp đầu vào có dạng tăng dần theo chiều điện áp tăng đến một giá trị

xác định xác định thì khơng tăng nữa (
- Đồ thị đặc tuyến

ổn định tại ~ 93,00 từ mức điện áp 8V trở lên).

theo điện áp có dạng tăng dần theo chiều tăng điện áp lên đến giá trị lớn nhất

tại điện áp V = 8V rồi sau đó giảm dần theo chiều tăng điện áp từ 8V đến 18V.
5.1.2 Trường hợp 2
Đặt quạt ở vị trí 2 mới, thay đổi điện áp từ thấp đến cao, nhóm sinh viên thu được kết quả tốc độ
quạt và góc nghiêng của tấm phẳng (trong đó góc nghiêng của tấm phẳng được xác định ở vị trí xác
lập), ghi giá trị vào Bảng 3 như sau:
Bảng 3: Liên hệ giữa tốc quạt và góc nghiêng của tấm phẳng trường hợp 2
Điện áp (V)

2

Tốc độ(rpm) 157.4

4

6

8

10


354.8

551.4

739.9

926.9

8

h


Báo cáo Đo lường Cơng nghiệp

Góc (độ)

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

0.072

0.679

2.652

4.565

6.768

78.7


88.7

91.9

92.49

92.69

2.906

5.394

6.749

8.339

7.878

12

14

16

18

Tốc độ(rpm) 1114

1301


1482

1672

Góc (độ)

8.712

11.27

13.1

15.84

92.83

92.93

92.625

92.88

7.020

6.658

5.965

5.666


(

)

Điện áp (V)

(

)

Hình ảnh minh chứng: đáp ứng tốc độ quạt đối với từng mức điện áp từ thực nghiệm ở trường hợp
2:
2V
Tin hieu dat
Ngo ra

200

150

100

50

0

0

2


4

6

8

10

9

h

12

14

16

18

20


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

4V
Tin hieu dat

Ngo ra

400

350

300

250

200

150

100

50

0

0

2

4

6

8


10

12

14

16

18

20

6V

700

Tin hieu dat
Ngo ra

600

500

400

300

200

100


0

0

2

4

6

8

10

12

10

h

14

16

18

20



Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

8V

900

Tin hieu dat
Ngo ra

800

700

600

500

400

300

200

100

0

0


2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

10V

1200

Tin hieu dat
Ngo ra

1000


800

600

400

200

0

0

2

4

6

8

10

12

11

h

14


16

18

20


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

12V

1400

Tin hieu dat
Ngo ra

1200

1000

800

600

400

200


0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

14V

1600

Tin hieu dat
Ngo ra


1400

1200

1000

800

600

400

200

0

0

2

4

6

8

10

12


12

h

14

16

18

20


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

16V

1800

Tin hieu dat
Ngo ra

1600

1400

1200


1000

800

600

400

200

0

0

2

4

6

8

10

12

14

16


18

20

18V

2000

Tin hieu dat
Ngo ra

1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0

0

2

4

6


8

10

12

13

h

14

16

18

20


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

Từ các số liệu thu thập và tính tốn được trong bảng 3: Vẽ đặc tuyến của
cũng như đặc tuyến của

theo điện áp đầu vào

theo điện áp ngõ vào thu được kết quả như sau:

Đặc tuyến K1 - V

94

92

90

Hệ số K1

88

86

84

82

80

78

2

4

6

8


10

12

14

16

18

Điện áp ngõ vào V
Đặc tuyến k0 - V

9

8

7

Hệ số k0

6

5

4

3

2


2

4

6

8

10

12

14

16

18

Điện áp ngõ vào V

Nhận xét trường hợp 2:
- Đồ thị đặc tuyến

tương tự như trường hợp 1, có dạng tăng dần theo chiều điện áp tăng đến một
14

h



Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

giá trị xác định xác định thì khơng tăng nữa (
- Đồ thị đặc tuyến

ổn định tại ~ 92,6 từ mức điện áp 8V trở lên).

cũng tương tự với trường hợp đặt tại vị trí 1, có dạng tăng dần theo chiều tăng

điện áp lên đến giá trị lớn nhất

tại điện áp V = 8V rồi sau đó giảm dần theo chiều tăng

điện áp từ 8V đến 18V.
Nhận xét tổng quát qua 2 trường hợp :
- Dạng đặc tuyến của

cũng như

- Ở trường hợp vị trí 2,
- Kết quả đặc tuyến

theo điện áp giữa 2 trường hợp có dạng tương tự nhau.

có giảm so với trường hợp 1 nhưng không đáng kể.
theo điện áp với công thức lý thuyết:

Tức khi hệ đã xác lập thì


sẽ là một hằng số, thực nghiệm cho ta thấy kể từ điện áp 6V trở lên thì

ln ở xung quanh một giá trị nhất định. (Dưới 6V là mức điện áp nằm trong vùng phi tuyến nên
gây ra

sai khác).

5.2 Thiết kế bộ điều khiển PID dùng phương pháp Ziegler – Nichols
Trong thí nghiệm này, nhóm sinh viên khảo sát
- Ứng dụng phương pháp Ziegler – Nichols vòng kín để thiết kế bộ PID điều khiển góc nghiêng của
tấm phẳng tại góc làm việc

.

- Khảo sát ảnh hưởng của các thông số PID lên chất lượng điều khiển.
- Khảo sát tính phi tuyến của hệ thống ở các góc làm việc khác nhau.
5.2.1 Tìm thơng số tới hạn và thiết kế bộ điều khiển PID
Sử dụng chương trình fan_plate_PID.mdl tăng giảm Kp để tìm được

và

là ngưỡng mà tại đó

hệ bắt đầu dao động. Trong thí nghiệm này khơng tìm được chính xác giá trị

mà tại đó hệ thống

15


h


Báo cáo Đo lường Cơng nghiệp

giao động điều hồ, vì thế

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

ở đây được nhóm sinh viên chọn là giá trị ngưỡng mà hệ thống đi từ

ổn định sang mất ổn định.
Tại vị trí 1:
Sau khảo sát, thu được

là hệ số phù hợp nhất để hệ đi từ ổn định sang mất ổn định.

Thu được đáp ứng ngõ ra như sau:

5

4

3

2

1
X 6.98
Y0


0

X 7.82
Y -0.432

-1

-2
5.5

6

6.5

7

7.5

8

Đo khoảng thời gian giữa 2 đỉnh của đáp ứng ngõ ra thu được

8.5

9

.

Tại vị trí 2:

Sau khảo sát, thu được

là hệ số phù hợp nhất để hệ đi từ ổn định sang mất ổn định. Thu

được đáp ứng ngõ ra như sau:

16

h


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

4
3.5
3

X 5.86
Y 2.952

X 4.98
Y 2.628

2.5
2
1.5
1
0.5

0
-0.5
-1
3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

Đo khoảng thời gian giữa 2 đỉnh của đáp ứng ngõ ra thu được

.

Thông số bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols
PID controller

0.6

Thông số (Vị trí 1)

0.3272


0.42

0.105

Thơng số (Vị trí 2)

0.3030

0.44

0.110

Bảng 4: Thơng số bộ điều khiển PID ở 2 vị trí quạt
Vị trí quạt
Vị trí 1

0.5454

0.84

0.3272
17

h

0.7790

0.0344



Báo cáo Đo lường Cơng nghiệp

Vị trí 2

0.505

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

0.88

0.6890

0.3030

0.0333

Thay số liệu vừa tính được vào chương trình và chạy thực nghiệm. Thu được kết quả:
- Đối với vị trí 1:
12
Giá trị đặt
Góc nghiêng

10

8

6

4


2

0

0

2

4

6

8

10

- Đối với vị trí 2:

18

h

12

14

16

18


20


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

12
Giá trị đặt
Góc nghiêng

10

8

6

4

2

0

0

2

4

6


8

10

12

14

16

18

20

Nhận xét:
- Kgh là một hệ số khó tìm được do hệ có nhiều nhiễu và các yếu tố khác tác động nên việc tìm và
tính tốn các hệ số PID từ Kgh và Tu chỉ mang tính chất tương đối.
- Đáp ứng ngõ ra tuy còn dao động nhiều do nhiễu và thông số PID chưa thật sự phù hợp, nhưng
biên độ dao động tương đối nhỏ, hình dạng của đáp ứng cho thấy phần nào sự phù hợp với tính chất
đáp ứng bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols.
5.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số điều khiển
a) Ảnh hưởng của Kp
Khảo sát ảnh hưởng của Kp qua sự thay đổi Kp lần lượt là:
thu được đáp ứng như sau.

19

h


,


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

40
Giá trị đặt
Kp / 2
Kp
2Kp

30

20

10

0

-10

-20

0

2

Nhận xét: Việc tăng


4

8

ban đầu từ

sai số xác lập, nhưng khi tăng
coi như giá trị

6

10

12

14

16

18

20

lên

giúp cải thiện được thời gian đáp ứng cũng như

quá lớn đến


làm cho hệ mất ổn định và dao động. Có thể

là giá trị phù hợp đối nhất trong 3 sự lựa chọn

cho hệ.

b) Ảnh hưởng của Ki
Khảo sát ảnh hưởng của Ki qua sự thay đổi Ki lần lượt là:
được đáp ứng như sau.

20

h

, thu


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

12

10

Giá trị đặt
2K i0

8


K i0
K i0 / 2

6

4

2

0

-2

0

5

Nhận xét: Việc tăng

10

15

20

25

30

35


40

45

50

đã giúp giảm được được thời gian đáp ứng, nhưng đi kèm với việc tăng

chính là hệ dao động và có vọt lố nhiều hơn. Vì vậy khi thiết kế cần có sự lựa chọn giữa việc mong
muốn có thời gian xác lập ngắn hơn hoặc là việc mong muốn có vọt lố thấp hơn để chọn được hệ số
phù hợp với nhu cầu thiết kế.
c) Ảnh hưởng của Kd
Khảo sát ảnh hưởng của Kd qua sự thay đổi Kd lần lượt là:
thu được đáp ứng như sau.

21

h

,


Báo cáo Đo lường Công nghiệp

GVHD: KS.Lê Quang Thuần

14

12


10

8

Giá trị đặt
K d0 / 2
K d0

6

2 K d0

4

2

0

-2

0

5

Nhận xét: Càng tăng

10

20


25

30

35

40

45

50

thì dao động của hệ giảm, hệ ổn định hơn, độ vọt lố giảm dần. Trong thí

nghiệm cho thấy
việc tăng

15

là cho chất lượng đáp ứng phù hợp nhất. Tuy vậy cần phải cân nhắc

vì khi tăng q nhiều thì khi có nhiều nhiễu, khâu vi phân sẽ khuếch đại theo tín hiệu

nhiễu này lên lớn hơn và xuất tín hiệu điều khiển sai làm hệ thống mất ổn định.
d) Ảnh hưởng của góc đặt khác nhau
Khảo sát ảnh hưởng của góc đặt qua sự thay đổi giá trị góc lần lượt là: 5,10,15 độ. Nhóm sinh viên
thu được đáp ứng như sau.

22


h