Chương 3: ĐIỀU CHỈNH VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC I Khái niệm : Hệ thống truyền động điều khiển vò trí thuộc loại hệ thống sử dụng rộng rãi công nghiệp cấu truyền động cho tay máy, người máy, cấu ăn dao cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng ,……… Tùy thuộc vào cấu mà công suất truyền động nằm dải rộng từ hàng chục W đến hàng trăm KW Trong hệ điều khiển vò trí đại lượng điều khiển (lượng đặt ϕw ) có ý nghóa quan trọng đònh cấu trúc điều khiển hệ thống thường lượng điều khiển ϕw hàm thời gian, hàm nhảy cấp, hàm tuyền tính hàm tuyến tính đoạn theo thời gian, hàm Parabol hàm điều hoà Tuỳ thụoc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vò trí cho cấu chuyển dòch hệ truyền động điều khiển vò trí theo chế độ bám Trong hệ thống điều khiển vò trí chuyển dòch tiêu chất lượng chung người ta quan tâm nhiều đến độ tác động nhanh hệ Điều có liên quan đến giãn đồ tối ưu tốc độ ω(t), gia tốc a(t) vò trí ϕ(t) Để xây dựng hệ điêu khiển người ta dựa quy luật tối ưu tác động nhanh truyền động điện nghiên cứu quỹ đạo pha chuyển động II Điều khiển vò trí dùng vòng phản hồi : Nếu theo phương pháp việc điều khiển vò trí sử dụng ba vòng phản hồi : vùng vò trí vòng tạo tín hiệu đặt cho vòng tốc độ, ngỏ vòng tốc độ lại tín hiệu đặt cho vòng dòng điện Tín hiệu vò trí xác đònh từ giải mã vò trí tín hiệu hồi tiếp cho vòng vò trí khuếch đại trở thành giá trò đặt cho vòng tốc độ Tín hiệu sai lệch tốc độ điều khuếch đại khuếch đại có giới hạn (II) trở thành giá trò đặt cho vòng dòng điện Sai lệch dòng điện (dưới dạng điện áp đặt ) khuếch đại khuếch đại (III) đưa vào điều khiển biến đổi tạo điện áp phần ứng thích hợp Việc đưa thêm vòng dòng điện vào có tác dụng tránh tăng giảm dòng điện áp khởi động sai lệch vận tốn lớn III Thuật toán điều khiển PID: Nhiều năm trước đây, điều khiển PID xem điều khiển lý tưởng đối tượng có mô hình liên tục Bộ PID thực điều khiển động mà việc thay đổi tham số điều khiển có khả làm thay đổi đặc tính động tónh hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển PID thực chất làthiết bò điều khiển thực luật điều khiển mô tả phương trình sau : U (t ) = K P e (t ) + t e(t )dτ + T ∫ T I D e(t ) ( 6.1 ) Trong e(t) tín hiệu vào, u(t) tín hiệu điều khiển, kp hệ số khuếch đại luật điều khiển, T1 số thời gian tích phân TD số thời gian vi phân Đối với hệ thống có độ dự trữ ổn đònh lớn, muốn tăng độ xác điều khiển ta cần tăng hệ số khuếch đại luật điều khiển tỉ lệ [7] Hệ thống sai lệch tónh tín hiệu vào hàm bậc thang đơn vò số thời gain tích phân TI chọn khác không Luật điều khiển tích phân gọi điều khiển chậm sau sai số điều khiển tích lũy đủ lớn đònh điều khiển đưa Tăng khả tác động nhanh hệ, giảm bớt thời gian điều chỉnh cách thay đổi số thời gian luật điều khiển vi phân, gọi điều khiển vượt trước Luật điều khiển phương trình (6.1) thường biểu diễn dạng hàm truyền đạt sau: W ĐK ( p) = K P (1 + TIP + T D P) = k i p (1 + T D1 p )(1 + T D p ) ( 6.2 ) Từ năm 1975 trở lại đây, phát triển không ngừng kỹ thuật điện tử kỹ thuật vi xử lý, PID số ngày sử dụng rộng rãi công nghiệp PID số mô tả qua phương trình vi sai phân sau: u =u k k −1 + r ek + r1 ek −1 + r ek −2 ( 6.3 ) hàm truyền dạt gián đoạn: * W ( z) = r +r z −1 + r z −2 + z −1 ( 6.4 ) Với điều khiển PID, người sử dụng dễ dàng tích hợp luật điều khiển khác luật điều khiển tỉ lệ ( luật P ), điều khiển tỉ lệ-tích phân ( luật PI ), luật điều khiển tỉ lệ-vi phân ( luật PD ) Bộ điều khiển PID phần tử thay trình tự động khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay lý thuyết điều khiển tự động đại ứng dụng vào việc thiết kế, điều khiển diều khiển mờ, điều khiển Nơron, điều khiển bền vững việc kết hợp phương pháp điều khiển đại điều khiển PID kinh điển đem lại hiệu bất ngờ mà khả đem lại Một ứng dụng điều khiển PID điều khiển thích nghi điều khiển mờ thường xuyên phải chỉnh lại tham số cho phù hợp với thay đổi trước đối tượng môi trường nhằm đảm bảo tiêu chất lượng đề cho hệ thống Nếu ta tự động hóa công việc thay đổi tham số điều khiển PID điều khiển bền vững với tác động nhiễu nội nhiễu ngoại lên hệ thống Cũng mà thiết bò điều khiển trình DSC Disbute Control system, PLC Programable Logic Control, PSC Process Control System hãng sản xuất thiết bò tự động giới thiếu module điều khiển PID cứng mềm Để sử dụng tốt module này, người thiết kế phải nắm phương pháp chọn luật điều khiển tham số cho điều khiển Bộ điều khiển PID vi tích phân tỷ lệ hay dùng hệ thống điều khiển công nghiệp có ưu điểm sau : PID kết hợp ưu điểm khâu P, PI , PD trước hết ta cần tìm hiểu chức khâu : Điều khiển PID liên tục : Điều khiển PID cấu trúc điều khiển thông dụng quy trình điều khiển đầu điều khiển tổng hợp ba thành phần: • Thành phần thứ up(t) tỷ lệ sai số đầu hệ thống thực với giá trò tham chiếu (giá trò đặt) • Thành phần thứ hai uI(t) tích phân theo thời gian sai số • Thành phần thứ ba uD(t) đạo hàm sai số Hàm điều khiển :  de  u (t ) = u + K e(t ) + ∫ e(τ )dτ + Td  = u + u p (t ) + u I (t ) + u D (t ) Ti dτ   Thông số K độ lợi điều khiển, T I tích phân thời gian τ biến tích phân Giá trò u0 giá trò xác đònh trung bình biên độ tín hiệu xác thực Một vài quy trình điều khiển đặt biệt quy trình cũ có khoảng tỷ lệ đặt thay độ lợi điều khiển Khoảng tỷ lệ xác đònh PB=100/K đònh nghóa áp dụng K không thứ nguyên Công thức hàm điều khiển không giới hạn thực tế đầu Điều khiển đạt trạng thái bão hoà ngõ đạt giới hạn vật lý u max umin Trong thực tế ngõ tỷ điều khiển tỷ lệ sau : Phần tích phân hàm điều khiển dùng để khử sai số trạng thái ổn đònh Chức giải thích trực giác sau : Giả sử hệ thống trạng thái ổn đònh tất tín hiệu số, đặt biệt e(t) u(t) Trạng thái ổn đònh trì tích phân u I(t) số, mặt khác u(t) thay đổi Điều xảy e(t) Hàm điều khiển biểu diễn theo phép biến đổi Laplace sau : U ( s ) − U ( s ) = δU ( s ) + U I ( s ) + U D ( s )   E ( s) U ( s ) − U ( s ) = K 1 + + Td S  E ( s ) = K (1 + T1 s + T1Td s ) T1 s  Ti S  Bậc tỷ số nhỏ bậc mẫu số độ lợi hàm điều khiển tiến vô tần số cao Đây hệ giới hạn đạo hàm Trong thực tế đạo hàm khó đạt xác, coi cách gần hệ thống bậc với số thời gian Tf  T s  δU ( s) = U p ( s ) + U ( s ) + U D ( s ) = K 1 + + d  E (s)  T1 s + T f s  Tf = Td với N = ÷ 10 Độ lợi phần đạo hàm điều khiển có giới hạn N KN tần số cao Hàm PID viết lại sau : [ ] T1 s(1 + T f s )δU ( s ) = K T1 s(1 + T f s ) + + T f s + T1T f s E ( s ) Đây trường hợp đặt biệt điều khiển thông thường Chia cho T ITf , PID viết lại sau : R( s) = s + s Tf  T S ( s ) = T ( s) = K 1 + d  T f     s + K  + s + K  T    f T1  TI T f Đặc tính giới hạn điều khiển PID : điều khiển PID áp dụng thành công hầu hết tiến trình điều khiển Thời trễ : Thời trễ xãy thực tế Thời rễ làm chp thông tin trình điều khiển truền tới điều khiển trễ so với mong muốn, thông tin bò ý nghóa Thời trễ giới hạn đặt tính hệ thống có thời trễ điều khiển PID thường hoạt động châm Dạng rời rạc điều khiển PID Bộ điều khiển hệ thống số cần rời rạc vài mức Bộ điều khiển liên tục rời rạc dạng số thích hợp Trong việc thiết kế điều khiển liên tục, rời rạc Cho hệ số lấy mẫu ngắn bên thời gian vi phân xấp xỉ sai phân có giới hạn tích phân qua việc lấy tổng Chúng ta quan tâm dạng thời điểm, sai số tính toán khoảng lấy mẫu e(kh) = u(kh) – y(kh) Chu kỳ lấy mẫu h xem số biến đổi tín hiệu suốt thời gian lấy mẫu không quan tâm Sự hiệu chỉnh thực tế điều khiển : Một chu kỳ lấu mẫu dài ảnh hưởng đến việc điều khiển hồi tiếp bò nhiễu Một trường hợp đặt biệt chu kỳ lấu mẫu lâu thời gian đáp ứng trình nhiễu ảnh hưởng đến trình xử lý trước điều khiển nhận hoạt động xác điều quan trọng quan tâm đến động học đặc tính nhiễu ảnh hưởng đến lựa chọn chu kỳ lấy mẫu Trong việc xử lý tín hiệu mục đích lấy mẫu tín hiệu phục hồi từ dạng thời gian rời rạc Lý thuyết lấy mẫu không xem thời gian tính toán mối quan tâm để làm cấu trúc lại thời gian, tín hiệu lấy mẫu thời gian lâu Nói thêm ta giả sử tín hiệu chu kỳ hoá Trong ứng dụng điều khiển tín hiệu thường không theo chu kỳ thời gian tính toán cho việc cấu trúc trúc lại tín hiệu bò giới hạn Chức cụ thể thành phần PID: Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ (P) Được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc gây vọt lố cao vò trí không theo yêu cầu Đây điều khiển mà biến đặt tỷ lệ với độ sai lệch từ điểm đặt bên dãy tỷ lệ cho phạm vi vò trí đặt Khi vò trí thấo mức giới hạn thấp dãy tỷ lệ, biến đặt 100% Khi vò trí dãy tỷ lệ, biến đặt giảm dần tỷ lệ với độ lệch giảm 50% Khi vò trí với điểm đặt lệch Khi khâu P cho phép điều khiển vò trí phẳng với nhấp nhô nhỏ điều khiển ON_OFF Điều khiển tỷ lệ chia thời gian: Thiết bò ngỏ dạng xung trạng thái ON_OFF dùng thiết bò ngõ điều khiển vò trí Những ngõ gồm : Relay output, SSR(solid State Relay)output voltage Output Nếu thiết bò dùng để lặp trạng thái ON_ OFF dải tỷ lệ chu kỳ hình thời gian T on ngõ tỷ lệ với độ lệch Tỷ số từ lúc ON tới lúc OFF 1:1 biến 50 0/0 chu kỳ relay ngõ từ lúc ON tới OFF với vò trí điều khiển điểm đặt Một chu kỳ từ ON tới OFF thiết bò ngõ gọi chu kỳ tỷ lệ hoạt động điều khiển theo chu kỳ tỷ lệ gọi hoạt động điều khiển chia tỷ lệ thời gian Khâu điều khiển vi phân D: Được đòi hỏi phải bù, thực với biến tỷ lệ, mức nghiên độ lệch hình đây: Bước đáp ứng : Tỷ số thời gian : tỷ số thời gian số biểu diễn độ dài trình hoạt động Đây thời gian đòi hỏi biến đặt tỷ số hoạt động đạt giống biến đặt hoạt động hiệu chỉnh xảy thay đổi độ dốc độ lệch Tuỳ theo tỷ số thời gian : số thời gian dài , vi phân linh hoạt Hiệu ứng vi phân: Trường hợp độ lệch xảy đột ngột chia tỷ lệ Trước tiên On OFF thời gian Output Relay kéo dài việc chỉnh đến điểm đặt sớm Vì hiệu ứng điều khiển tương tự tỷ số hoạt động xem hiệu ứng vi phân Khâu tích phân I: Điều khiển hoạt động I: Độ lệch tăng tương quan vò trí đặt hệ điều khiển vò trí giữ sau hệ thống điều khiển đạt trạng thái bền Sự lệch gọi sai số Nếu sai số xảy điều khiển mà thực điều khiển tỷ lệ thiếu xác Giảm loại sai số để vò trí điều khiển hợp với điểm đặt Thời gian Reset : Thời gian reset số diễn tả trình hoạt động reset Đây thời gian đòi hỏi biến điều khiển tích phân với biến đặt điều khiển tỷ lệ độ lệch lấy thay đổi bước Do thời gian reset ngắn, ảnh hưởng nhiều đến hoạt động Reset Tuy nhiên thời gian reset ngắn mà thực nhanh gây hunting Khâu tích phân tỷ lệ (PI) : Khâu tích phân tỷ lệ trở thành vô sai Muốn tăng xác hệ thống ta tăng hệ số khuếch đại Song hệ thống thực bò hạn chế có mặt khâu PI bắt buộc Khâu PID : Các hiệu chỉnh PID ứng dụng nhiều dạng thiết kế điều khiển hay thuật toán phần mềm GC ( s ) = K p (1 + + Td s Ti s Hay GC ( s ) = K p + Ki + Kd s s Nếu tín hiệu vào sai số e(t), tín hiệu áp điều khiển u(t) :  de(t )  u (t ) = K p e(t ) + ∫ e(t )d (t ) + Td  Ti dt   5.1 Xác đònh tham số cho điều khiển PID : Luật điều khiển thường đươcï chọn sở xác đònh mô hình toán học đối tượng phải phù hợp với đối tượng thõa mãn yêu cầu toán thiết kế Trong trường hợp mô hình toán học dối tượng không xác đònh luật điều khiển va øcác tham số điều khiển theo phương pháp thục nghiệm, hệ thống phải đảm bảo thoã mãn số điều kiện 5.1.1 Phương pháp Reinisch Phương pháp thiết kế thuật điều khiển Reinisch dựa sở mô hình toán học đối tượng xác đònh cách tường minh Mô hình động học đối tượng đưa dạng sau: 1) Dạng khâu nguyên hàm với mô hình đặc trưng : ( 6.5 ) Với Ti số thực thõa mãn T1 >= T2 >= Tn >= số thời gian trễ Tt số thực hữu hạn không âm Không tính tổng quát ta giả thiết T1 số thời gian lớn T2 số thời gian lớn thứ hai Nếu [...]... thay thế ở bước đầu tiên bộ điều khiển kinh điển bằng bộ điều khiển mờ và phát triển thêm hệ điều khiển dựa trên cơ sở của bộ điều khiển mở này 9ể có được các tính chất điều khiển mong muốn Cùng với logic mờ các bộ điều khiển chung cho phép tạo ra một khả năng điều khiển đối tượng phong phú và đa dạng Bộ điều khiển vò trí dùng logic mờ có thể được xây dựng trên cơ sở bộ điều khiển PI mờ Đầu vào của... số thời gian vi phân cho đến khi hệ thống đạt được độ quá điều chỉnh cực đại lớn nhất σmax  max Xác đònh TDMAX _ Chọn TD = 1 /3 TDMAX và T1= 4,5TD _Giảm kp cho đến khi hệ thống đạt được đặc tính động học mong muốn IV Điều khiển vò trí dùng logic mờ : Các phương pháp kinh điển đã điều khiển được các đối tượng kỹ thuật rất hoàn thiện và đặt tính động học của toàn bộ hệ thống rất tốt Nhưng để xử lý thêm... γ = 2 = 0.495 nếu bộ điều khiển được sử dụng làI c γ =c c 1 ,  2 ,2 =0.98 nếu bộ điều khiển được sử dụng làP hoặc PI 1 Giả sử rằng ta sử dụng bộ điều khiển I Vậy thì do α = a + cγ = 1.9 nên từ (6.10) ta có k1=0, 03 và TD1=TD2=0 Nếu bộ điều khiển mà ta sử dụnglà PI thì các tham số cần xác đònh của bộ điều khiển làki và TD1 Từ α = a + cγ =2 ,38 ta suy ra được k1=0,05 và TD1=TD2=0 Điều khiển đối tượng... trí và đấu ra là điện áp điều khiển Uc cung cấp cho mạch tạo xung điều rộng Hệ mờ nhận 2 tín hiệu vào là sai lệch vò trí và sai phân sai lệch Sau khi tiến hành mờ hoá 2 biến vào này, dựa trên bảng luật điều khiển hệ mờ sẽ quyết đònh nên tăng hay giảm điện áp điều khiển thông qua biến ra vi phân điện áp Khâu tích phân sẽ làm nhiệm vụ tính ra điện áp điều khiển U chính xác để cấp cho mạch tạo xung điều. .. có γ : c2 a) γ = 2 nếu bộ điều khiển được sử dụng là P(6.17) c γ =c c 1 , b) 2 ,2 nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD (6.18) 1 Từ đó suy ra : 1) 2) k i = 1 k c α cho bộ điều khiển P idt k i = 1 1 ,, k cα idt và TD=T1 cho bộ điều khiển PD 1 trong đó α = a + cγ và a,c được tính từđộ quá điều chỉnh cực đại mong muốn σmax theo bảng cho trong trường hợp (6.7) Ví dụ 2: Tìm bộ điều khiển cho đối tượng thuộc... Nếu 0 ... việc chỉnh đến điểm đặt sớm Vì hiệu ứng điều khiển tương tự tỷ số hoạt động xem hiệu ứng vi phân Khâu tích phân I: Điều khiển hoạt động I: Độ lệch tăng tương quan vò trí đặt hệ điều khiển vò trí. .. tích lũy đủ lớn đònh điều khiển đưa Tăng khả tác động nhanh hệ, giảm bớt thời gian điều chỉnh cách thay đổi số thời gian luật điều khiển vi phân, gọi điều khiển vượt trước Luật điều khiển phương... mờ, điều khiển Nơron, điều khiển bền vững việc kết hợp phương pháp điều khiển đại điều khiển PID kinh điển đem lại hiệu bất ngờ mà khả đem lại Một ứng dụng điều khiển PID điều khiển thích nghi điều