Giáo trình Kỹ thuật điều khiển tự động

lick chuột vào biểu tượng số 1 hoặc CTRL + N 
Tùy theo yêu cầu của bài toán hoặc sơ đồ hệ thống cần mô phỏng ta lựa chọn các 
khối tương ứng trong thư viện khối của Simulink sau đó nối chúng lại theo sơ đồ 
cần mô hình hóa. Kết quả sẽ quan sát qua màn hình 
Để mô hình hóa hệ thống theo cấu trúc thì cần phải có các khối tạo ra tín hiệu đầu 
vào, các khối mô tả động học và các khối đầu ra. 
a. Các khối tín hiệu đầu vào 
 1
1 
56 
Các khối tạo tín hiệu đầu vào được lấy trong khối SIMULINK library 
Brower 
Source Cung cấp các nguồn tín hiệu 
Hình 5: Thư viện các khối tạo tín hiệu đầu vào 
Constant: Đại lượng không đổi 
Sin Wave: Tạo sóng Sin 
Step Input: Tạo hàm bước 
Signal Generator: Tạo các dạng sóng khác nhau 
Pulse Generator: Tạo các xung có chu kỳ điều hòa 
Band Limit White noise: Tạo ra tạp trắng 
Chirp – signal: Tạo sóng sin với tần số tăng dần 
Clock: Cấp thời gian cho mô hình 
Digital ClockL: Tạo thời gian mô phỏng với thời gian trích mẫu xác định 
Repeating Sequence: Tạo tín hiệu tùy ý lặp lại theo chu kỳ 
Radom number: Tạo các ngẫu nhiên phân bố chuẩn 
From file: Tạo từ file cho trước 
Ln1: Tạo từ hàm Ln 
Ramp: Tạo hàm có độ dốc. 
Các khối mô phỏng khâu động học thường sử dụng (Commonly Used Blocks) 
57 
Hình 6: Khối Commonly Used Blocks 
SUM Tạo tổng lượng vào 
Gain Nhân lượng vào với hệ số tự đặt 
In1 Đại lượng đầu vào 1 
Logacal Operator Thực hiện thuật toán Logarit đối với đại lượng đầu vào 
Out1 Đại lượng đầu ra 1 
Scope Màn hình quan sát 
Terninator Ngắt 
Mux Nhân 
Unit delay Bộ tạo trễ 
Integrator Lấy tích phân 
58 
Hình 7: Thư viện các khối hàm tuyến tính chuẩn 
Derivative Lấy vi phân theo thời gian 
Integrator Limited Lấy tích phân ở các mức xác định 
Integrator Second – 
order Limit 
PID controller 
Transfer Fcn 
Biểu diễn các hàm số truyền tuyến tính dạng 
1
s 1T 
Variable Time Delay 
Zero - pole 
Integrator 
Integrator, Second – 
order 
PID controller 
State – space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái tuyến tính 
Transport Delay Giữ chậm lượng vào theo giá trị thời gian cho trước 
Variable Transport 
Delay 
Giữ chậm lượng vào với khoảng thời gian biến đổi 
59 
Hình 8: Thư viện các khối đầu ra 
Display Hiển thị 
Out1 Tín hiệu ra OUT1 
Stop Simulink Ngừng quá trình mô hình hóa khi lượng vào khác 0 
To file Gửi dữ liệu vào file 
XY graph Hiển thị đồ thi XY của tín hiệu trên cửa đồ thị của Matlab 
Floating Scope 
Scope Hiển thị các tín hiệu trong quá trình mô hình hóa 
Terninal 
To workspace Gửi dữ liệu vào dưới dạng ma trận 
Các thao tác với khối 
Click vào khối cần chọn và rê chuột sang cửa sổ Untitled rồi nhả chuột. 
Hình 9: Cửa sổ Untitled với các khối được chọn 
Quan sát cửa sổ tha thấy các khối: Sin Wave, Integrator và Scope được chọn từ cửa 
Labruary Sounrce, Continuous và Sinks. 
 Nối các khối: 
Bấm chuột ở đầu ra của khối trước, giữ và rê chuột tới đầu vào của khối cần nối, 
nhả chuột, Simulink sẽ tự tạo ra các đường nối và mũi tên chỉ hướng tín hiệu. 
 Nối giữa các đường: 
60 
Đưa chuột vào vị trí cần nối đồng thời bấm CTRL + bấm chuột rê tới vị trí cần nối, 
nhả chuột. 
 Thay đổi chiều của khối: Click chuột vào khối đó sau đó ấn chuột phải 
Format Rotaray Block chọn quay theo chiều kim đồng hồ 
Hình 10: Quay khối 
Dịch chuyển các khối trong mô hình: Clik chuột và kéo rê đến vị trí cần đặt khối 
Xóa: Click chuột vào khối cần xóa và ấn Delete. 
Sao chép: Click chuột vào khối và dùng lệnh Copy di chuyển đến vị trí cần 
đặt và CTRL +V 
Xóa đường: Click chuột vào đường rồi ấn Delete. 
Nhập các tham số cho khối: Click chuột vào khối thay đổi tham số OK 
Các khối trong SIMULINK đã đặt sẵn đại lượng đầu vào, thay đổi tham số hệ 
thông sẽ tự động điều chỉnh lại tham số. 
Đặt tên cho khối: 
Click chuột vào tên của khối và đặt lại tên cho khối 
Chú ý: tên của các khối phải khác nhau, nếu giống nhau SIMULINK sẽ báo lỗi 
Chạy sơ đồ mô phỏng: Trên cửa sổ Untitled ấn ► sau đó click vào Scope để 
quan sát trạng thái tín hiệu đầu ra. 
Thuận theo chiều 
kim đồng hồ. 
Ngược theo chiều 
kim đồng hồ. 
61 
Hình 11: Thay đổi tham số 
Save: vào File Save as Lưu tên .mdl 
VÍ DỤ: 
Giả sử xây dựng mô hình bài toán để khâu bậc 1 hàm truyền sau: 
r ( )W( )
( ) s 1v
x s K
s
x s T
Sơ đồ cấu trúc có dạng: 
Hình 12: Sơ đồ cấu trúc 
Sơ đồ cấu trúc của ví dụ 1 với giá trị của hàm bao gồm: 
1(t) = constan = 4, K = 5, T = 2s 
Phân tích sơ đồ cấu trúc ta cần có 3 khối của hệ thống: 
Khối mô tả tín hiệu đầu vào: 1(t) = constan = 4 
Khối mô tả hàm truyền 
s+1
K
T
Khối hiển thị tín hiệu đầu ra 
Các bước thực hiện: 
Bước 1: Mở cửa sổ Simulink chọn New 
62 
Bước 2: Lấy các khối tín hiệu vào, khối hàm truyền và khối tín hiệu ra tương 
ứng trong thư viện Labruary Sounrce, Continous và Sinks tương ứng bằng cách kéo, 
rê chuột và thả vào cửa sổ Unitled. 
Mở khối sounrce chọn khối Constan 
Mở khối Continous chọn khốn Transfer Fcn 
Mở khối Sinks chọn Scope 
Bước 3: Thực hiện nối các khối 
Nháy chuột vào vị trí đầu ra của khối constan vừa giữ chuột vừa rê đến đầu vào 
của khối Transfer Fcn, nhả chuột SIMULINK sẽ tự tạo đường nối mũi tên theo 
hướng từ khối Constan đến đến khối Transfer Fcn. 
Tương tự ta nối 2 khối Transfer Fcn và hiển thị Scope như trên 
Hình 13: Sơ đồ mô hình hóa khi chưa cài đặt tham số 
Bước 4: Thực hiện đặt tham số chi từng khối 
Đối với khối constan, Click chuột vào khối constan xuất hiện hộp thoại của 
khối, đặt lại tham số bằng 4 rồi ấn Apply OK, hệ thống sẽ tự động hiệu chỉnh. 
63 
Hình 14: Cài đặt tham số cho khối Constan 
Đặt tham số cho khố Transfer Fcn: Click chuột vào biểu tượng khối 
1
s+1
ta thấy 
xuất hiện mà hình hội thoại như sau: 
Hình 15: Cài đặt tham số cho khối Transfer Fcn 
64 
Trong khối Transfer Fcn khối 
1
s+1
 được biểu diễn dưới dạng Vector viết theo chiều 
giảm dần số mũ s để biểu diễn hàm truyền trong đó Numerator coefficents biểu diễn 
tham số của tử số, Denominator tolerance biểu diễn mẫu số. Mặc định ban đầu tử số 
[1], mẫu số [1 1]. Do đó để đặt lại tham số cho hàm truyền Transfer Fcn có dạng 
5
2s+1
 thì trong ô tử [5] và mẫu [2 1]. Kết thúc click chuột vào Apply và OK 
Bước 5: Đổi tên 
 Vào Save as gõ tên Vidu1.mdl 
Chú ý: Khi đặt tên cho file không sử dụng phím Space. 
Bước 6: Cho hệ thống làm việc , quan sát kết quả và chạy mô phỏng: 
Vào biểu tương scope vào quan sát đặt tính đầu ra của hệ thống. 
Bước 7: Nhận xét đánh giá. 
65 
PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 
Để mô hình hóa hệ thống điều chỉnh tự động, có một số phương pháp khác nhau 
nhau thường sử dụng 02 phương pháp: 
Phương pháp 1: Dựa vào sơ đồ cấu trúc của hệ thống. 
Phương pháp 2: Dựa vào phương trình trạng thái 
Ưu điểm của phương pháp 1 là sử dụng được các khối cơ bản trong thư viện 
Simulink của Matlab để m ô phỏng các nút, các khâu động học điển hình, các bộ tạo 
tín hiệu và thể hiện rõ sự ảnh hưởng của các khâu đối với chất lượng hệ thống trong 
quá trình điều chỉnh. 
Ưu điểm của phương pháp 2 dựa vào việc chuyển phương trình hàm truyền vào 
– ra thành các phương trình trạng thái, từ đó xây dựng sơ đồ cấu trúc vector và mô 
hình hóa phương trình trạng thái. Giải phương trình trạng thái ta nhận được đại 
lượng cần điều chỉnh và hàm trạng thái của hệ thống. 
Ví dụ về mô hình hệ thống điều chỉnh tự động 
giả sử hệ có cấu trúc như hình sau: 
Hình 2.1. sơ đồ cấu trúc ví dụ 2.1 
với các hệ số K1 = 5; K2 = 1, K3 = 5, T2 = 0.5s 
ta có hệ thống có mô hình hóa như sau: 
Hình 2.2. mô hình hóa hệ thông của ví dụ 2.1 
Phản ứng đầu ra của hệ thống 
66 
Hình 2.3. kết quả hiển thị trên màn hình scope 
Xây dựng chương trịn dưạ vào phương trình trạng thái 
>> w1=tf(5); % Hàm truyền thứ nhất W1 
 Transfer function: 
5 
 >> w2=tf([1],[1 1]) ; % Hàm truyền thứ nhất W2 
 Transfer function: 
 1 
----- 
s + 1 
>> w3=tf(4) ; % Hàm truyền thứ nhất W3 
Transfer function: 
4 
>> w4=tf([1],[1 0]) ; % Hàm truyền thứ nhất W4 
Transfer function: 
1 
- 
s 
>> w=w1*w2*w3*w4;% Hàm truyền tổng của 4 hàm truyền mắc nối tiếp với nhau 
Transfer function: 
 20 
------- 
s^2 + s 
67 
>> wk=feedback(w,1);% Tính hàm truyền phản hồi của hệ thống 
Transfer function: 
 20 
------------ 
s^2 + s + 20 
>> step(wk) 
>> 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Step Response
Time (seconds)
A
m
p
lit
u
d
e
Hình 2.4. Tín hiệu đầu ra 
xây dựng đặt tính biên độ Logarit và đặc tính tần số pha Logarit của khâu hàm số 
truyền k 2
20
W ( )
20
s
s s
để vẽ đặc tính tần số Logarit của khâu ta sử dụng hàm bode 
Cấu trúc lệnh: Bode(num,dem) 
trong màn hình soạn thảo Matlab ta thực hiện như sau: 
>> num=20; % khai báo tử số 
num = 
 20 
>> den=[1 1 20] % khai báo mẫu số 
68 
den = 
 1 1 20 
>> wk=tf(num,den); % Hàm truyền 
Transfer function: 
 20 
------------ 
s^2 + s + 20 
>> bode(num, den); %vẽ đặc tính tần số pha Logarit 
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
M
a
g
n
itu
d
e
 (
d
B
)
10
-1
10
0
10
1
10
2
-180
-135
-90
-45
0
P
h
a
s
e
 (
d
e
g
)
Bode Diagram
Frequency (rad/s)
Hình 2.5. Đặc tính tần số biên độ Logarit của ví dụ 2.1 
Đối với các bài toán có nhiều khâu mắc song song hoặc nối tiếp ta cần chuyển về 
hàm truyền tương đương rồi vẽ đặc tính tính tần số biên độ pha Logarit của hệ 
thống đó. 
69 
-3 -2 -1 0 1 2 3
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Nyquist Diagram
Real Axis
Im
a
g
in
a
ry
 A
x
is
Hình 2.6. Đặc tính tần số biên độ pha của hệ thống trong ví dụ 2.1 
Một số hàm Matlab dùng để khảo sát hệ thống: 
Đáp ứng xung Impulse 
Đáp ứng nấc Step 
Biểu đồ Bode Bode 
Biểu đồ Nyquist Nyquist 
Khảo sát đặc tính động Ltiview 
70 
PHẦN 2: CÁC BÀI TOÁN THỰC HÀNH 
BÀI 1: NGHIÊN CỨU KHÂU ĐỘNG HỌC ĐIỂN HÌNH 
1. Mục đích: 
 Làm quen với việc sử dụng phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô 
hình hóa các khâu động học 
 Lấy đặc tính quá độ h(t) của khâu quán tính, khâu bậc 2 và nghiên cứu ảnh 
hưởng của thông số đối với đặc tính khâu động học điển hình. 
 lấy các đặc tính biên độ pha loga của khâu quán tính và khâu bậc 2, xét sự 
ảnh hưởng của các thông số đối với đặc tính tần số - biên độ pha loga của hai khâu 
đó. 
2. Yêu cầu: 
 Biết sử dụng phần mềm Matlab Simulink để xây dựng sơ đồ mô hình hóa 
một hệ thống đơn giản. 
 Sử dụng một số hàm cơ bản Bode, Nyquist để xây dựng đặc tính tần số cho 
những khâu đơn giản. 
 Củng cố kiến thức về môn học Kỹ thuật điều khiền tự động điều chỉnh, các 
đặc tính quá độ của khâu động học điển hình, cách xác định thời gian Tqđ, cách tính 
thời gian độ khóa điều chỉnh % trên đặc tính quá độ h(t), cách xác định độ dự trữ 
ổn định về biên độ pha, tần số trên đặc tính tần số biên độ pha Loga. 
3. Nội dung thực hành 
3.1. Nội dung 1: Mô hình hóa khâu quán tính bậc 1 
Mô hình hóa khâu quán tính theo sơ đồ hình sau: 
Mô hình hóa khâu quán trinh 
Thay đổi các thông số K, T để thấy sự ảnh hưởng đối với đặc tính quá độ cho 
cả 2 trường hợp: 
71 
Trường hợp K T 
Trường hợp 1: 5 0.5 
Trường hợp 2: 5 0.2 
3.2. Mô hình hóa khâu quán tính bậc 2 
Mô hình hóa khâu quán tính theo sơ đồ hình sau: 
mô hình hóa khâu dao động bậc 2 
Mô hình hóa khâu quán trính bậc 2 với các tham số trong trường hợp 1 
Thay đổi các thông số tương ứng theo 3 trường hợp để thấy được sự ảnh 
hưởng của chúng đối với đặc tính quá độ 
Trường hợp K T  
Trường hợp 1: 10 0.5s 0.4 
Trường hợp 2: 10 0.5s 0 
Trường hợp 3 10 0.5s 1 
Xây dựng đặc tính quá độ h(t) và đặ tính biên độ pha tần số của chúng. 
Xây dựng đặc tính biên độ pha – tần số cho khâu quán tính và khâu bậc 2 đã 
nêu ở trên 
Hoàn thiện báo cáo theo mẫu: 
4. Các bước thực hiện: 
Bước 1: Khởi động phần mềm, mở cửa sổ Simulink chọn New 
Bước 2: Lấy các khối tín hiệu tương ứng theo sơ đồ mô hình hóa bằng cách vào 
khối trong thư viện tương ứng, kéo, rê chuột và thả vào cửa sổ Unitled. 
72 
Bước 3: Thực hiện nối các khối 
Bước 4: Thực hiện đặt tham số chi từng khối 
Đặt tham số: Click chuột vào khối cần đặt tham số sẽ xuất hiện cửa sổ hộp thoại 
của khối đó, đặt lại tham số và ấn OK, Simulink sẽ tự động điều chỉnh tham số mới 
Đặt thời gian cho quá trình mô phỏng: Vào menu Simulation chọn Parameters 
xuất hiện cửa sổ SIMULINK CONTROL PANEL, gõ vào START TIME và STOP 
TIME giá trị thời gian quan sát OK 
Bước 5: Đổi tên 
Chú ý: Khi đặt tên cho file không sử dụng phím Space. 
Bước 6: Cho hệ thống làm việc , quan sát kết quả và chạy mô phỏng: 
Vào biểu tương scope vào quan sát đặt tính đầu ra của hệ thống. 
Bước 7: Nhận xét đánh giá. 
5. Thực hiện các nội dung thực hành 
6. Báo cáo thực hiện 
Lớp:  BÁO CÁO THỰC HÀNH MÔN HỌC KỸ THUẬT 
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 
Họ và tên:  BÀI SỐ:  
1. Nội dung thực hành 
2. Mục đích 
3. Các nội dung thực hiện 
4. Kết quả 
Ghi lại các: 
Dạng đồ thị đã nhận được: hàm quá độ, hàm Bode, hàm Nyquist 
Hàm số truyền của hệ thống hở, hệ thống kín. 
5. Nhận xét: Bằng kiến thức lý thuyết đã học nhận xét 
73 
BÀI 2: NGHIÊN CỨU CÁC MẠCH LIÊN KẾT CƠ BẢN CÁC KHÂU 
ĐỘNG HỌC 
Mục đích, yêu cầu 
Tìm hàm truyền tương đương các khâu mắc nối tiếp, mắc song song 
xây dựng mô phỏng hệ thống, khảo sát tính ổn định của hệ thống 
nội dung 
1. Lập sơ đồ mô hình hóa cho hai trường hợp khâu mắc nối tiếp và mắc song 
song. Xây dựng mô hình hóa cho từng trường hợp cụ thể. 
2. Vẽ đặc tính quá độ h(t) 
khi mắc nối tiếp 
khi mắc song song 
Sơ đồ cấu trúc của hai khâu mắc nối tiếp 
Sơ đồ cấu trúc của hai khâu mắc song song 
Khi 2 khâu mắc nối tiêp 
Trường hợp 1 Trường hợp 1 
74 
1
2
2
W ( )
0.4s 1
4
W ( )
0.8s 1
s
s
1
2
3
W ( )
0.5s 1
4
W ( )
0.8s 1
s
s
Khi 2 khâu mắc song song 
Trường hợp 1 Trường hợp 1 
3
4 2
2
W ( )
0.4s 1
5
W ( )
0.8s 2*0.8*0.5s 1
s
s
3
4 2
2
W ( )
0.4s 1
5
W ( )
0.8s 1
s
s
3. Xác định hàm số truyền tương đương của hai khâu mắc nối tiếp và mắc 
song song trong cả 2 trường hợp. 
4. Vẽ đặc tính tần số biên độ pha – loga cho các trường hợp khi mắc nối tiếp 
và khi mắc song song 
5. Khảo sát tính ổn định của hệ thống 
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 
Hãy lập mô hình hóa, chạy sơ đồ để lấy kết quả. Xác định các đặc trưng 
Tqđ, h , n, độ quá điều chỉnh (%) . 
Nhận xét về tính ổn định của hệ thống.
75 
BÀI 3: PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH TỰ ĐỘNG VÀ ĐÁN GIÁ CHẤT 
LƯỢNG HIỆU CHỈNH 
Nội dung 
cho hệ thống điều chỉnh tự động có sơ đồ cấu trúc như sau 
Sơ đồ cấu trúc của hệ thố ng tự động điều chỉnh 
Các thông số: 
 K T(s) 
1 10 0.06 
2 0.104 0.03 
3 6.3 0.134 
4 35.6 0.143 
5 0.027 
6 0.53 
Lập sơ đồ mô hình hóa hệ thống. Xét các trường hợp sau: 
Trường hợp 1: Khi chưa sử dụng khâu hiệu chỉnh 
Khi chỉ 1 khâu hiệu chỉnh nối tiếp 
Khi chỉ có 1 khâu phản hồi phụ 
76 
Khi sử dụng cả 2 khâu hiệu chỉnh. 
BÀI 4: PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH DAO ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG PHI 
TUYẾN 
BÀI 5: KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG TUYẾN TÍNH 
DỪNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ NGHIỆM