Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
5 Tổng quan về bộ điều khiển sử dụng PID

5 Tổng quan về bộ điều khiển sử dụng PID

Tải bản đầy đủ - 0trang

Q trình điều khiển theo mơ hình trên là một q trình khép kín. Giá trị setpointSP là giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị đó tùy thuộc vào

yêu cầu chất lượng của hệ thống. Việc đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng của

hệ thống thực chất là đưa hệ thống luôn bám sát SP với độ sai lệch nhỏ nhất và thời

gian quá độ nhanh nhất.

Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: tỉ lệ (P), vi phân (D), tích phân (I). Mỗi thành

phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống. Cụ thể:

2.5.1 Thành phần tỉ lệ (P):

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình sai phân mơ tả động học: u(t) =

Trong đó:

u(t): Tín hiệu ra của bộ điều khiển

e(t): Tín hiệu vào

KP: Hệ số khếch đại của bộ điều khiển

 Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

W(p) = U(p)/E(p) = KP

 Hàm truyền đạt trong miền tần số :

W(j ) = KP

 Hàm quá độ là hàm mơ tả tác động tín hiệu vào 1(t):

h(t) = KP.1(t)

 Hàm q độ xung:

W(t) =



9



 Đồ thị đặc tính:



Hình 2.7 Đồ thị đặc tính thành phần tỉ lệ

Từ các đặc tính trên ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau đối với tín hiệu ở mọi dải

tần số, góc lệch pha giữa tín hiệu vào và ra bằng 0, tín hiệu ra sẽ tác động ngay khi có

tín hiệu vào. Như vậy thành phàn tỉ lệ (P) có tác dụng làm giảm sai lệch tĩnh, thời gian

tác động nhanh.

2.5.2 Thành phần tích phân (I)

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình vi phân mơ tả động học:

Trong đó:



U(t): Tín hiệu điều khiển

e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển

Ti: Hằng số thời gian tích phân



 Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

W1(p) =

 Hàm truyền trong miền tần số:

W(j )=

 Hàm quá độ:

h(t) =

 Hàm quá độ xung:

W(t) =



10



 Đồ thị đặc tính:



Hình 2.8 Đồ thị đặc tính thành phần tích phân

Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy luật điều khiển tích phân tác động kém với các

tín hiệu có tần số cao.

Trong tất cả các giải tần số, tín hiệu ra phản ứng chậm pha so với tín hiệu vào

một góc 900, điều này có nghĩa là luật tích phân chậm, do vậy hệ thống dễ bị dao động,

phụ thuộc vào hằng số thời gian tích phân Ti.

+ Ưu điểm: Bộ tích phân loại bỏ được sai lệch dư của hệ thống, ít chịu ảnh hưởng tác

động của nhiễu cao tần.

+ Nhược điểm: Bộ điều khiển tác động chậm nên tính ổn định của hệ thống kém.

2.5.3 Thành phần vi phân (D)

Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỉ lệ với vi phân tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình vi phân mơ tả động học:

U(t) =

Trong đó:



e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển

U(t): Tín hiệu điều khiển

Td: Hằng số thời gian vi phân



 Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

11



W(p) =

 Hàm truyền đạt trong miền tần số:

W(j ) = Td.j = Td.

 Hàm quá độ:

h(t) = Td

 Hàm quá độ xung:

W(t) =

 Đồ thị đặc tính:



Hình 2.9 Đồ thị đặc tính thành phần vi phân

Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy luật điều khiển vi phân tác động mạnh với các

tín hiệu có tần số cao.

Trong tất cả các giải tần số, tín hiệu ra phản ứng sớm pha so với tín hiệu vào

một góc 900, điều này có nghĩa luật điều khiển vi phân tác động nhanh. Do vậy hệ

thống sẽ bị tác động bởi nhiễu cao tần, làm việc kém ổn định trong mơi trường có

nhiễu tác động.

+ Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân có đặc tính tác động nhanh, đây là một đặc tính

mà trong điều khiển tự động thường rất mong muốn.

+ Nhược điểm: Khi trong hệ thống dùng bộ điều khiển có luật vi phân thì hệ thống

dễ bị tác động bởi nhiễu cao tần, đây là loại nhiễu thường tồn tại trong công nghiệp.

12



2.5.4 Các phương pháp xác định tham số KP, KI, KD cho hệ thống điều khiển sử

dụng thuật toán PID

Cấu trúc:



Hàm truyền đạt:

 W(p) =

Mơ hình:



+ KP: Thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu ra => thay đổi sai lệch tĩnh, đáp ứng nhanh, bị

ảnh hưởng bởi nhiễu ở mọi tần số.

+ KI: Sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ thống được kích thích bằng tín hiệu hằng, giảm độ

quá điều chỉnh.

+ KD: Phản ứng nhanh với sự thay đổi của e(t), tăng độ quá điều chỉnh, nhạy cảm với

nhiễu tần số cao.

1.

a)

-



Xác định tần số bằng thực nghiệm: công thức Ziegler - Nichols

Ziegler - Nichols 1

Đối tượng là khâu quán tính bậc 1 hoặc bậc cao



13



Hình 2.10 Khâu qn tính bậc 1 hoặc bậc cao

-



Xấp xỉ về dạng quán tính bậc 1 có trễ



Hình 2.11 Xấp xỉ về dạng qn tính bậc 1 có trễ

-



Xác định Km, KI, KD từ k, , T



+ Sử dụng P: Km = T/k

+ Sử dụng PI: Km = 0.3T/k ; KI = 10 /3

+ Sử dụng PID: Km = 0.2T/k ; KI = 2 ; KD =

b)



Ziegler - Nichols 2

Thay PID bằng 1 khâu khuếch đại Kth

Kích thích hệ bằng 1(t)

-



-



Thay đổi Kth cho tới khi h(t) có dạng điều hòa



14



Hình 2.12 Dạng điều hòa

Lấy 2 thơng số Kth, Tth (chu kì của h(t))

Chọn tham số PID từ Kth, Tth:

+ Sử dụng P: Km = Kth/2

+ Sử dụng PI: Km = 0.45Kth ; Ki = 0.85Tth

+ Sử dụng PID: Km= 0.6Kth ; Ki = 0.5Tth ; Kd = 0.12Tth

-



2.6 Các phương pháp điều khiển số

2.6.1 Điều khiển On - Off





Đây là loại điều khiển tương đối đơn giản nhất, được dùng trong các loại sản



phẩm phục vụ cho gia đình như máy điều hòa nhiệt độ, lò nhiệt… Khi lò nhiệt có nhiệt

độ nhỏ hơn giá trị nhiệt độ đặt, bộ nhiệt sẽ bật lên với cơng suất cực đại. Khi lò nhiệt

có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ đặt, bộ nhiệt sẽ tắt lò. Q trình On - Off lò nhiệt diễn ra

với giá trị sai số cho phép nhằm ngăn ngừa nhiễu trong q trình bật tắt lò nhiệt q

nhanh khi nhiệt độ lò gần với nhiệt độ đặt.

2.6.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ

o



Đây là hình thức điều khiển tốt hơn điều khiển On - Off bằng cách cung cấp



năng lượng cho lò nhiệt dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ giữa lò nhiệt và nhiệt độ đặt,

với P được xem là độ khuếch đại tỉ lệ của bộ điều khiển.

W = P(Tđặt – Tđo)

Khi P tăng, sự đáp ứng quá độ nhanh hơn nhưng ngược lại, hệ thống có nhiệt độ nằm

dưới mức nhiệt độ điều khiển và không ổn định.

2.6.3





Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD

Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỉ lệ với độ khuếch đại lớn,



có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số.

W = P((Tđặt – Tđo) + D





)



Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều khiển PD. Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh



khả năng đáp ứng sự thay đổi tại nhiệt độ đặt, đó là giảm độ vọt lố.



Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thể

dùng khuếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện. Nhược điểm của bộ PD này là rất nhạy

về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thong cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làm tăng sự

ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu.

15



2.6.4 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID



Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai

số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp

là không chấp nhận được đối với mạch động lực. Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ

(PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng

nhanh hơn. Khâu tích phân tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẫn đến sai lệch tĩnh triệt

tiêu. Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi hệ thống

thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc.

Hàm truyền trong miền ảnh laplace:

W(p) = Km(1+

-



+Kd.p)



Phương trình vi phân tích phân mơ tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với

tín hiệu e(t) của bộ điều khiển PID là:

U(t) = Kp.e(t) + KD.







+ KI.



Trong đó : e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t). Với r(t) và c(t) là tín



hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống.



Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị K p, Ki, Kd sao cho thỏa mãn các yêu cầu

về chất lượng. Hiệu quả của phương phương pháp này là điều khiển được năng lượng

lò nhiệt cho đến khi sai số trung bình của giá trị nhiệt độ là 0.

2.7

Tra cứu các linh kiện điện tử

2.7.1 Tìm hiểu contactor quang – solid state relay



Hình 2.13 Contactor quang và solid state relay

Solid state relay (ssr) là thiết bị điện từ, dùng để cách ly và điều khiển giữa

mạch điều khiển có cơng suất bé và mạch động lực có cơng suất tải lớn. Có khả năng

chịu dòng cao (từ 10A



75A dành cho điện áp ngõ ra 300VAC và 50A

16



75A dành



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

5 Tổng quan về bộ điều khiển sử dụng PID

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×