đồ án điều khiển tốc độ động cơ dc trên cơ sở phần mềm labview

CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp.Stator bao gồ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 1

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW

Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN VĂN TRINH

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN

Lớp : ĐHĐT3A

MSSV : 07703181

Khoá : 2007-2011

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 1

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM LABVIEW

Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN VĂN TRINH

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN

Lớp : ĐHĐT3A

MSSV : 07703181

Khoá : 2007-2011

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2010

LỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình công nhgiệp hóa- hiện đại hóa đất nước Tự động hóa là yếu tốkhông thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại Nói đến tự động hóa thì máy tính làmột công cụ hỗ trợ đắc lực nhất và không thể thiếu được trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệttrong đo lường và điều khiển

Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại nhiều kếtquả đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính

có độ chính xác cao, thời gian thu thập dữ liệu ngắn Nhưng điều đáng quan tâm nhất làmức độ tự động hóa trong việc thu thập và xử lý kết quả đo, kể cả việc lập bảng thống kê,

đồ họa, cũng như in ra kết quả Để đo lường và điều khiển hệ thống thì ngoài các thiết bịghép nối với máy tính, còn có Smột chương trình nạp vào máy tính để xử lý và điều khiểnquá trình hoạt động của hệ thống

Việc ứng dụng máy tính vào trong các hệ thống truyền động điều khiển tốc độ, vịtrí ngày càng phổ biến Ví dụ như trong các dây truyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao,trong việc gia công sản phẩm có hình dạng, kích thước được vẽ trước trên máy tính, trong

cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại quayanten, kính viễn vọng, trong các hệ thống bám, tùy động,…

LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình chuyên nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa, làmột môi trường lập trình cho phép tạo ra các chương trình sử dụng kí hiệu đồ họa giúp tạolên những giao diện chương trình chuyên nghiệp Nó chứa đựng rất nhiều khả năng, sứcmạnh khi phát triển và thực thi các ứng dụng tự động hóa: đo lường, thu thập, phân tích,

xử lí dữ liệu Thế giới thiết bị ảo của labVIEW rất gần gũi và liên kết chặt chẽ với thếgiới điều khiển tự động thực

Tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm đồ án Do kinhnghiệm và trình độ còn hạn chế,phần thể hiện và trình bày còn nhiều khiếm khuyết Kínhmong quí Thầy cô bỏ qua.

Sinh viên thực hiệnNguyễn Tiến

NHẬN XÉT

(Của giảng viên hướng dẫn)

NHẬN XÉT

(Của giảng viên phản biện)

MỤC LỤC

Lời mở đầu:

Trang Chương 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1

1.1 Cấu tạo cơ bản máy điện một chiều 1

1.1.1 Cấu tạo 1

1.1.2 Nguyên lý làm việc của dộng cơ điện một chiều 1

1.2 Điều khiển động cơ DC 1

1.2.1Khái niệm chung 1

1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều 2

1.2.3 Các phương trình cơ bản của máy điện một chiều 3

1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC 7

1.3.1 Điều khiển điện áp phần ứng 7

1.3.2 Điều khiển từ thông 8

1.3.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ tong kích từ 8

1.3.4 Điều khiển điện trở phần ứng 9

Chương 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 11

2.1 Điều khiển PID liên tục 11

2.2 Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID 12

2.2.1 Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển 13

2.2.2 Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân 16

2.2.3 Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID 16

Chương 3: LẬP TRÌNH TRONG MÔI TRƯỜNG LABVIEW.22 3.1 Khái quát chung về phần mềm labview 22

3.1.1 Giới thiệu 22

3.1.2 Thiết bị ảo (VI- Vitual Instrument) 22

3.1.3 Front Panel 22

3.1.4 Block Diagram 22

3.2 Kỹ thuật lập trình labview 23

3.2.1 Khởi động chương trình 23

3.2.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình 24

Chương 4: GIỚI THIỆU VỀ CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH.24 4.1 Thông số kỹ thuật 26

4.2 Cách sử dụng 30

Chương 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 31

5.1 Phương án thiết kế 31

5.1.1 Yêu cầu thiết kế 31

5.1.2 Thiết kế 31

5.1.3 Động cơ DC sử dụng cho mạch phần cứng 31

5.1.4 Phương pháp điều khiển 32

5.2 Sơ đồ mạch phần cứng 33

5.2.1 Công dụng từng linh kiện trong mạch 34

5.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch 36

5.3 Giao diện điều khiển bằng máy tính 35

5.3.1 Front Panel và Block diagram của chương trình 35

5.3.2 Các khối lập trình thông dụng 35

5.4 Code điều khiển dựa vào giải thuật 38

5.4.1 Yêu cầu đặt ra 38

5.4.2 Giải quyết từng vấn đề 39

5.5 Giao diện điều khiển trên máy tính 42

5.6 Kết quả đạt được 45

PHỤ LỤC

DANH MỤC TÀI LIỆU TAM KHẢO

CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1.1 Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp.Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kíchthích ) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt1 Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc

độ quay Đối với động cơ công suất nhỏ người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Rotor (còn gọi phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại các rãnh để đặtcác phần tử của dây quấn phấn ứng Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệthống chổi than – vành góp Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lựctiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mòn của chổi than

Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dâyphần ứng và đổi dòng điện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than bằng số lượngcực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm)

1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích

từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Tiếp đó đặtmột giá trị điệ áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phấn ứng sẽ có một dòng điện Ichạy qua Tương tác giữa đòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômenđiện từ Giá trị mômen điện từ được tính như sau:

Trong đó các p: số đôi cặp cực của động cơ

n: số thanh đẫn phần ứng dưới một cực từ

a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

k: hệ số kết cấu của máy

Và mômen điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục

1.2.1 Khái niệm chung

Điều khiển tốc độ là một yêu cầu: cần thiết tất yếu của các máy sản xuất Ta biếtrằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiệnlàm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu hóa quá trình sản xuất Muốn cóđược các tốc độ khác nhau trên máy ta có thể thay đổi cấu trúc của máy như tỉ số truyềnhoặc thay đổi tốc độ của chính dộng cơ truyền động.

Tốc độ làm việc của động cơ do người điều khiển quy định được gọi là tốc độ đặt.Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ có thể bị thay đổi vì tốc độ của động cơ phụthuộc rất nhiều vào các thong số nguồn, mạch và tải nên khi các thông số thay đổi thì tốc

độ động cơ sẽ bị thay đổi theo Tình trạng đó gây ra sai số về tốc độ và có thể không chophép Để khắc phục người ta dùng những phương pháp ổn định tốc độ

Độ ổn định tốc độ còn ảnh hưởng quan trọng giải đièu chỉnh (phạm vi điều chỉnhtốc độ ) và khả năng quá tải của động cơ Độ ổn định càng cao thì khả năng mở rộng vàmômen quá tải càng lớn

Có rất nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ như:

Điều chỉnh tham số

Điều chỉnh điện áp nguồn

Điều chỉnh cấu trúc sơ đồ

1.2.2 Phân loại động cơ điện 1 chiều

Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia đông cơ điện một chiều ra các loại sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ

được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp vớiphần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích từ được mắc song songvới phần ứng.

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích, mộtcuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại song song với phần ứng.

1.2.3 Các phương trình cơ bản của máy điện một chiều:

Suất điện động phần ứng E=K (1)Điện áp phần ứng U= E+RƯIƯ (2)Mômen phần ứng M= K (3)Trong đó:

- U: điện áp của lưới điện một chiều

- E: suất điện động cảm ứng trong cuộn dây rotor khi nó quay trong từ trường docuộn dây kích từ tạo ra

- : từ thông trên mỗi cực (Wb)

Từ công thức (1) và (3), ta có:

(4)Hay (5)

Với động cơ một chiều kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ được duy trì khôngđổi, có thể giả thiết rằng từ thông động cơ không đổi khi mômen động cơ thay đổi.Khi đó

ta có:

K =constant (6)Như vậy đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập là một đường thẳng Tốc

độ không tải của động cơ xác định bởi điện áp cung cấp U và từ thông kích từ K Tốc độđộng cơ giảm khi mômen tải tăng và độ ổn định tốc độphụ thuộc vào điện trở phần ứng

RƯ Trong thực tế do phản ứng phần ứng, từ thông giảm do mômen tăng dẫn đến tốc độđộng cơ suy giảm ít hơn là tính toán theo công thức trên Với mômen lớn từ thông có thểsuy giảm đến mức độ dốc đặc tính cơ trở nên dương dẫn đến hoạt động không ổn định Vìvậy, cuộn bù thường hay được sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phầnứng Với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi không tảikhoảng 50%

Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp, từ thông là một hàm của dòng phần ứng.Nếu giả thiết động cơ hoạt dộng trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hóa, có thể xem từthông tỉ lệ bậc nhất với dòng phần ứng, nghĩa là:

=KktI (7)Thay (7) vào (1), (4) vào (5) ta được:

M= KKktI2

Ư (8)

(9)

(10)

Đặc tính của động cơ một chiều kích từ nối tiếp được vẽ như hình trên Có thểthấy rằng tốc độ của động cơ suy giảm nhiều theo mômen tải Tuy nhiên trong thực tế, cácđộng cơ tiêu chuẩn thường được thiết kế làm việc tại các cánh chỏ (Knê-point) của đặctính từ hóa khi mang tải định mức Với tải trên định mức, mạch từ động cơ bão hòa, khi

đó từ thông không thay đổi nhiều theo dòng tải dẫn đến đặc tính cơ tiệm cận vớiđường thẳng

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi momenkhởi động cao và có thể quá tải nặng Với momen tải nặng, từ thông động cơ cũng tăngtheo Như vậy với cùng một lượng gia tăng của momen như nhau, dòng phần ứng củađộng cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập Do đó,trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơcũng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập

Theo công thức (10), tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bặc haicủa momen Vì vậy tốc độ động cơ khi không tải có thể tăng lên rất cao, chỉ bị hạn chếbởi từ dư của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc độ định mức Điều này không chophép với máy điện – thường chỉ cho phép hoạt động gấp hai lần tốc độ định mức Do đó

động cơ kích từ nối tiếp không được dùng với các ứng dụng trong đó momen tải có thểnhỏ đến mức làm tốc độ động cơ vượt mức giới hạn cho phép.

Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng như biểu diễn hình trên.Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ qua cuộn song song, trong khi

độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuôn song song và cuộn nối tiếp Động

cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần có đặc tính cơ tương tự động

cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độ không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

Từ công thức (5) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ - momen động cơ, ta có thể thấyrằng tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng ba phương pháp sau:

1 Điều khiển điện áp phần ứng

2 Điều khiển từ thông

3 Điều khiển điện trở phần ứng

1.3.1 Điều khiển điện áp phần ứng

Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích từ độc laạp và kích từ nối tiếp khi điều chỉnhđiện áp cung cấp cho phần ứng động được vẽ như hình sau:

Các đặc tính này suy ra từ công thức (5) với điện áp U thay đổi Bằng cách thayđổi điện áp phần ứng, động cơ có thể làm việc tại bất kì tốc độ, momen nằm giữa đườngđặc tính cơ tự nhiên và trục momen Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới địnhmức, phương pháp này chỉ dùng để điều chỉnh động cơ hoạt động với các đặc tính thấphơn hoặc đặc tính tự nhiên

Tính chất quan trọng của phương pháp này lá độ cứng đặc tính cơ không thay đổikhi tốc độ động cơ được điều chỉnh Điều này khiến hệ có khả năng đáp ứng với tải cómomen hằng số vì dòng phần úng cực đại cho phép - tương ứng với nó là momentải cực đại cho phép- của động cơ không đổi với mọi tốc độ.

Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều khiển bằng cách sử dụng:

- Máy phát DC (hệ máy phát –động cơ)

- Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC DC)

- Bộ Chopper (bộ biiến đổi xung áp) (DC DC

1.3.2 Điều khiển từ thông

Điều khiển từ thông được sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của động cơ caohơn tốc độ định mức Có thể thấy điều đó qua công thức (5)

Tốc độc cao của động cơ đạt được khi giảm từ thông bị hạn chế bởi:

- Sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phần ứng

- Giới hạn về mặt cơ khí của dộng cơ: các động cơ thông thường cho phếp tốc độ đạtđến 1,5-2 lần tốc độ định mức Một số động cơ chế tạo đặc biệt cho phép tốc độcao nhất đạt tới 6 lần định mức

Đối với động cơ Dc kích từ độc lập và song song, công suất cực đại cho phép củađộng cơ gần như không đổi với mọi tốc độ khi điều khiển từ thông Có thể thấy điều nàynếu giả thiết là dòng cực đại cho phép, I của động cơ không thay đổi khi điều chỉnh từthông và điện áp cung cấp cho phần ứng, U là định mức Khi đó , sức điện động của động

cơ, E= U –RI là hằng số Vì vậy công suất điện từ cực đại cho phép của động cơ sẽ biếnthiên tỉ lệ nghịch với tốc độ

Với động cơ DC kích từ độc lập, việc điều khiển kích từ được điều khiển bằngcách thay đổi điện áp từ với bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc bộ chopper, tùy theo nguồncung cấp được sử dụng là AC hoặc DC Với động cơ công suất nhỏ, cũng xó thể nối tiếpbiến trở vào mạch kích từ đẻ điều khiển từ thông

Với động cơ DC kích từ nối tiếp, việc điều khiển từ thông được thực hiện bằngcách thay đổi điện trở song song với cuộn kích từ Một số động cơ kích từ nối tiếp cócuộn kích từ nhiều đầu ra, và do đó có thể thay đổi từ thông bằng cách thay đổi số vòngdây cuộn kích từ

1.3.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ tong kích từ.

Phương pháp này được sử dụng khi cần thiết điều chỉnh tốc độ động cơ trong mộtdải rộng trên và dưới tốc độ định mức Tốc độ dưới tốc độ định mức được điều khiểnbằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong khi giữ kích từ ở giá trị định mức Tốc độ trênđịnh mức được biểu diễn bằng cách thay đổi điện áp kích từ.

Giới hạn của momen và công suất ra khi điều khiển hhỗn hợp điện áp phầnứng và từ thông kích từ

1.3.4 Điều khiển điện trở phần ứng

Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập và nối tiếp khi điều khiển tốc độ bằngcách thêm điện trở phụ vào phần ứng

Khuyết điểm chính của phương pháp này là có hiệu suất của hệ thống rất kém và

độ cứng đặc tính cơ thấp, nhất là hoạt động ở tốc độ thấp Do đó, phương pháp này hiệnnay ít được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, trừ các trường hợp:

- Khởi động động cơ

- Thay đổi tốc độ động cơ trong một thời gian ngắn trong chế độ ngắn hạn hoặc chế

độ ngắn hạn lặp lại

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID

Bộ điều khiển PID (vi tích phân tỉ lệ) rất hay dùng trong các hệ thống điều khiển

Vì nó tăng chất lượng đáp ứng của hệ thống với các ưu điểm sau: PID là sự kết hợp ưuđiểm của hai khâu PD và PI , nó làm giảm thời gian xác lập, tăng tốc độ đáp ứng của hệthống, giảm sai số xác lập, giảm độ vọt lố,…

2.1 ĐIỀU KHIỂN PID LIÊN TỤC

Điều khiển PID là cấu trúc điều khiển thông dụng nhất trong các quy trình điều khiển.Đầu ra của điều khiển là tổng của ba thành phần Thành phần thứ nhất UP(t) là tỷ lệ giữahai số đầu ra của hệ thống thựcvới giá trị tham chiếu (giá trị đặt) Thành phần thứ hai

UI(t) là tích phân theo thời gian của sai số và thành phần thứ ba UD(t) là đạo hàm của sai

số thời gian

Hàm điều khiển:

Trong đó K là độ lợi, Ti là hệ số của khâu tích phân sai số, Td là hệ số của khâu đạo hàm

và là biến tích phân Giá trị u0 là giá trị xác định trị trung bình biên độ tín hiệu xác thực

Một vài quy trình điều khiển, đặc biệt là các quy trình cũ, có khoảng tỉ lệ(proportional band) được đặt thay vì là độ lợi điều khiển Proportional band PB (theophần trăm) được xác định là PB =100/K Định nghĩa này chỉ áp dụng khi K là không thứnguyên

Công thức của hàm điều khiển không chỉ ra giới hạn thực tế ở đầu ra Điều khiển

sẽ đạt trạng thái bảo hòa khi ngõ ra đạt tới giới hạn vật lý umax hoặcumin trong thực tế ngõ

ra của điều khiển tỉ lệ như sau:

Phần tích phân của hàm điều khiển được dùng để khử sai số của trạng thái ổn định.Chức năng của nó có thể được giải thích bằng trực giác như sau: Giả sử hệ thống ở trạngthái ổn định vì vậy tất cả các tính hiệu đều là hằng số, đặc biệt là e(t) Trạng thái ổn địnhchỉ được duy trì nếu phần tích phân uI(t) là hằng số, mặt khác u(t) có thể thay đổi Điềunày chỉ xảy ra nếu e(t) bằng không,

Hàm điều khiển cũng có thể được biểu diễn theo phép biến đổi Laplace như sau:

Lưu ý trong hàm điều khiển này bậc của tử số bậc của mẫu số do đó độ lợi củahàm điều khiển tiến về vô cùng ở tần số cao Đây là hệ quả của giới hạn đạo hàm Trongthực tế đạo hàm khó có thể đạt được chính xác, nhưng có thể coi mạch cách gần đúng đốivới hệ thống bậc nhất với hằng cố thời gian Tf Ta có:

(5)

Trong đó: Tf = Td/N với N khoảng từ 5 đến 10 Độ lợi phần đạo hàm của hàm điều khiển

có giới hạn là KN ở tần số cao Hàm PID từ công thức (5) được viết lại như sau:

(6)Đây là trường hơp đặc biệt của điều khiển thông thường chia 2 vế của (6) cho , vàđặt:

(7)

Hàm PID được viết lại như sau: (8)

Đặc tính giới hạn của điều khiển PID: Điều khiển PID được áp dụng thành công

2.2 DẠNG RỜI RẠC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂU PID

Bộ điều khiển trong hệ thống số cần được rời rạc ở một vài mức, để nhập vào máytính Bộ điều khiển liên tục sẽ được rời rạc ở dạng số thích hợp với máy tính Trong việcthiết kế bộ điều khiển liên tục, thì nó cũng được rời rạc Cho hệ số lấy mẫu ngắn bêntrong, thời gian vi phân có thể được xắp xĩ bởi một sai phân có giới hạn và tích phân quaviệc lấy tổng

2.2.1 Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển:

Một chu kỳ lấy mẫu quá dài có thể ảnh hưởng đến việc điều khiển hồi tiếp như là

bị nhiễu Một trường hợp đặc biệt là chu kỳ lấy mẫu lâu hơn thời gian đáp ứng của quátrình thì nhiễu có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lí và sẽ mất trước khi bộ điều khiển cóthể nhận được một hoạt động chính xác Vì vậy một điều rất quan trọng là quan tâm đếnđộng học và đặc tính nhiễu của quá trình trong việc lựa chọn chu kỳ lấy mẫu Tỉ số tínhiệu trên nhiễu cũng ảnh hưởng đến sự lựa chọn chu kỳ lấy mẫu

Trong việc xử lý tín hiệu mục đích là lấy mẫu tín hiệu với máy tính và phục hồi nó từdạng thời gian rời rạc Lý thuyết lấy mẫu không có xem thời gian tính toán là mối quantâm để mà cấu trúc lại thời gian, tín hiệu được lấy mẫu có thể mất thời gian khá lâu Nóithêm nữa là ta giả sử tín hiệu được chu kỳ hóa Trong những ứng dụng điều khiển các tínhiệu thường không có chu kỳ và thời gian tính toán cho việc cấu trúc lại tín hiệu bị giớihạn

2.2.2 Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân:

Khâu vi phân điều khiển cơ cấu chấp hành và làm cho nó bảo hòa có thể gây ramột số ảnh hưởng không mong muốn Nếu sai số điều khiển lớn khâu vi phân làm cho cơcấu chấp hành hoạt động trong vùng bão hòa, vòng hồi tiếp sẽ bị gãy, bởi vì cơ cấu chấphành vẫn bão hòa thậm chí nếu ngõ ra hệ thống thay đổi Khâu vi phân, trở thành hệthống không ổn định, có thể sau đó khâu vi phân đạt đến một giá trị rất lớn Khi sai sốcuối cùng giảm xuống, khâu vi phân có thể vẫn lớn để nó cần có khoảng thời gian cần

thiết cho tới khâu vi phân trở lại giá trị bình thường Sự ảnh hưởng này gọi là windup viphân

Có nhiều cách để tránh windup khâu vi phân Một cách có hiệu quả nhất là dừngcập nhật vi phân khi cơ cấu chấp hành bị bảo hòa Một phương pháp khác được biểu diễn

ở sơ đồ khối hình a sau đây:

Ở đây một đường hồi tiếp được thêm vào để cung cấp giá trị đo được ở ngõ ra của

cơ cấu chấp hành, tín hiệu sai số es là sự khác nhau của ngõ ra cơ cấu chấp hành uc và ngõ

bị bảo hòa đường hồi tiếp thêm vào sẽ cố gắn làm cho es bằng không Điều này có nghĩa

là khâu vi phân sẽ được reset để ngõ ra của bộ điều khiển ở tại giá trị giới hạn bảo hòa.Khâu vi phân được reset đến một giá trị tỷ lệ với hằng số thơiì gian Tt, được gọi là hằng

số thời gian theo dõi(tracking-time) Một sự thuận lợi với phương pháp antiwindup này là

nó có thể áp dụng cho nhiều cơ cấu chấp hành, không chỉ cơ cấu chấp hành bảo hòa màcòn các bộ kích có đặc tính tùy ý, như vùng chết hay hiện tượng trễ, theo ngõ ra của bộkích được đo lường Nếu ngõ ra của cơ cấu chấp hành không được đo lường, cơ cấu cháphành có thể được thiết kế theo mẫu và tín hiệu tương đương có thể phát ra từ kiểu mẫunày

Một ví dụ minh họa vấn đề này, một hệ thống điều khiển vị trí Ở đây động cơđược điều khiển bởi bộ điều khiển PI Vị trí đặt được thay đổi nhiều đến mức tín hiệu điềukhiển(điện áp vào của động cơ) bị bảo hòa và giới hạn Đáp ứng bậc thang vị trí góc quayđược cho hình sau:

2.2.3 Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID

2.2.3.1 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 vọt lố cao do đó vị trí sẽ không đúng theo yêu cầu

Đây là bộ điều khiển mà biến đặt tỉ lệ với độ lệch từ điểm đặt bên trong dãy tỉ lệcho phạm vi vị trí đặt,

Khi vị trí hiện tại thấp hơn mức giới hạn thấp nhất của dãy tỉ lệ, biến đặt vào là100% Khi vị trí bên trong dãy tỉ lệ, biến đặt giảm dần dãy tỉ lệ với độ lệch và giảm 50%.Khi vị trí hiện tại bằng với điểm đặt và không có lệch Khi đó khâu P cho phép điều khiển

vị trí phẳng với nhấp nhô nhỏ hơn điều khiển ON-OFF (điều khiển đóng ngắt)

Điều khiển tỉ lệ thời gian:

(time division proportional

output, SSR (Solid State

relay) output, và voltage

output trong dãi tỉ lệ ở chu kì như hình bên dưới, thời gian Tonở ngõ ra tỉ lệ với độ lệch

Tỉ số từ lúc on đến lúc off là 1:1và biến là 50% khi chu kỳ relay ngõ ra từ lúc on

được gọi là chu kỳ tỉ lệ (proportional period) và hoạt động điều khiển theo chu kỳ tỉ lệđược gọi là “hoạt động điều khiển chia tỉ lệ thời gian”.

2.2.3.2 Khâu điều khiển vi phân D: (hoạt động dạo hàm)

Được đòi hỏi phải bù, được thực hiện đúng với biến đặt tỉ lệ, mức nghiêng của độlệch:

Tỉ số thời gian: (rate time)

Tỉ số thời gian là số biểu diễn độ dài của quá trình hoạt động Đây là thời gian đòihỏi biến đặt của tỉ số hoạt động đạt được giống như biến đặt trong hoạt động hiệu chỉnhkhi xảy ra thay đổi độ dốc trong độ lệch Tùy theo tỉ số thời gian dài hơn, vi phân linhhoat hơn

Hiệu ứng vi phân:( Differetial Effect)

Trong trường hợp độ lệch xảy ra đột ngột trong bộ chia tỉ lệ Trước tiên ON hoặcOFF thời gian của output relay được kéo dài bằng việc chỉnh đến diểm đặt sớm hơn Vìhiệu ứng của điều khiển này tương tự như tỉ số hoạt động, được xem như là “ hiệu ứng viphân”

2.2.3.3 Khâu tích phân I

Điều khiển hoạt động I:

Độ lệch tăng bởi sự quan hệ giữa vị trí đặt của hệ điều khiển và vị trí hiện tại, vàgiữ sau khi hệ thống điều khiển đạt trạng thái bền Sự lệch này gọi là sai số Nếu như sai

số xảy ra trong bộ điều khiển mà chỉ thực hiện điều khiển tỉ lệ, thì nó sẽ thiếu chính xác.Giảm và loại sai số để vị trí điều khiển hợp với điểm đặt Khâu P thường được dùng đểkết hợp với bộ điều khiển tích phân I

Thời gian reset:Thời

gian reset là diễn tả quá trình

của hoạt động reset Đây là thời

gian đòi hỏi biến đặt bộ điều

khiển tích phân bằng với biến

đặt bộ điều khiển tỉ lệ khi độ

lệch lấy thay đổi từng bước Do

đó thời gian reset time ngắn,

ảnh hưởng rất nhiều đến hoạt

động Reset Tuy nhiên thời

gian reset quá ngắn mà thực hiện quá nhanh có thể gây ra hunting

2.2.3.4 Khâu tích phân tỉ lệ (PI)

Khiến hệ trở thành vô sai Muốn tăng độ chính xác của hệ thống ta phải tăng hệ sốkhuếch đại Song đối với hệ thống thực bị hạn chế thì sự có mặt của khâu PI là bắt buộc

(1)

Ta có hàm truyền đạt của khâu hiệu chỉnh PID:

(2)Hoặc ở dạng khác:

(3)Theo nguyên tắc tích phân hình thang thì:

(4)

Còn phần đạo hàm thì: (5)

Như vậy:

(6)Thay đổi chỉ số từ K thành (K-1) và trừ hai vế của phương trình ta có:

(7)Nếu các đặt các hệ số:

(8) (9) (10)

Lý do các giá trị tìm được từ phương pháp Ziegler-Nichol không phải là các tối ưu,

là do phương pháp Ziegler-Nichol chỉ áp dụng cho hệ thống có quán tính lớn, còn động cơ

DC đáp ứng nhanh

Theo phương pháp 1 của nguyên tắc hiệu chỉnh Ziegler-Nichol (cho PID):

Với T1,T2 được xác định từ đường đặc tuyến tốc độ của động cơ:

Với: e(K) = SV - PV

e(K-1) = 0e(K-2) = 0

Với

T: chu kỳ lấy mẫu