Đồ án thiết bị tự động

Một hệ thống điều khiển tự động có cấu trúc chung như hình 1.1: Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tự động Hệ thống điều khiển tự động baogồm: et : tín hiệu sai lệch điều kh

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyf)(Y ( ~J í O ồằ CŨI Jễ$ íìỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

j)è án mồn hạc ^VyDGTĩ^I)

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc kiến thiết xây dựng đất nước nhà nước đang bước vàothòi kì công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước với những cơ hội thuận lợi vànhững khó khăn thách thức lớn Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ - những chủnhân tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề Sự phát triển nhanhchóng của cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện

- điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đối từng ngày Đổ đápứng được những yêu cầu đó, chúng em - những chủ nhân tương lai của đấtnước cần phải có ý thức học tập và nghiên cứu về chuyên môn của mình trongtrường đại học KTCN một cách đúng đắn và sâu rộng

Điều khiển tự động là một trong những nghành mới, đang có đà pháttriển một cách tích cực trong nền CN nước nhà, chính vì vậy chúng em những

kĩ sư tương lai của đất nưốc đang nghiên cứu trên ghê nhà trường đều ý thứcmột cách rõ ràng về ĐKTĐ Đồ án “THIẾT BỊ Tự ĐỘNG” là một trong những

đề tài mà chúng em đang nghiên cứu đã nói lên được phần nào về vấn đề thiết

kê và mô phỏng hệ thống điều khiển Thiết bị tự động rất quan trọng trong hệthống thiết bị công nghiệp của chúng ta hiện nay, là bộ óc rất quan trọng điềukhiển toàn bộ cơ cấu của nhà máy

Trong quá trình thiết kế đồ án của bản thân em có sự giúp đỡ chỉ dẫn rấttận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn đặc biệt là thầy: TS Nguyễn HữuCông

Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy: TS Nguyễn HữuCông và các thầy cô trong bộ môn đã giúp đỡ em trong bài đồ án này Tuy vậy

do trình độ còn có hạn và thòi gian làm đồ án gấp rút nên bản đồ án khôngtránh khỏi những thiếu sót và chưa được hoàn thiện lắm em xin được sự chỉdẫn chân thành của các thầy cô

Sinh viênPhạm việt Anh

CyOlíYO: &hS, Qlạuụễn Tôtừù Qtam - 1 - SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

~( 5 k ca JêX íỉỉựành: r f)iỉn hhiên tư ĩtồnụ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DAN:

Thái Nguyên ngày tháng năm

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM:

Thái Nguyên ngày tháng năm

GIÁO VIÊN CHẤM

CyOTíYO: THnS Qlạuụễn Tôtừù Qlam tềc - 2 - SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyf)(Y ( ~J í O ồằ CŨI Â*í íìỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

Mục lục

Trang

Chương I : Tổng quan chung về thiết bị điều chỉnh tự động 4

1.1 Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động 4

1.1.1 Nguyên tắc điều khiển và phân loại hệ thống diều khiển 5

1.1.1.1 Các nguyên tắc điều khiển 5

1.1.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển tự động 5

1.1.1.3 Đặc tính quá độ của hệ thống ĐKTĐ 5

1.1.2 Các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ĐKTĐ 6

1.1.2.1 Chất lượng tĩnh 7

1.1.2.2 Chất lượng ở quá trình quá độ 7

1.1.2.3 Chất lượng hỗn hợp 9

1.2 Các quy luật điều chỉnh lý tưởng 10

1.2.1 Các quy luật điều chỉnh vị trí 10

1.2.1.1 Khái niệm về điều chỉnh vị trí 10

1.2.1.2 Quy luật điều chỉnh 2 vi trí 10

1.2.1.3 Quy luât điều chỉnh 3 vi trí 11

1.2.1.4 Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi 11

1.2.2 Các quy luật điều chỉnh liên tục 13

1.2.2.1 Quy luật điều chỉnh tỉ lệ (p) 13

1.2.2.2 Quy luật điều chỉnh tích phân (I) 16

1.2.2.3 Quy luật điều chỉnh tỉ lệ tích phân (PI) 18

1.2.2.4 Quy luật điều chỉnh vi phân (PD) 20

1.2.2.5 Quy luật điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân(PID) 21

Chương II Bộ điều khiển PID 24

2.1 Thiết bị điềukhiển PID 24

2.1.1 Cấu trúc PID 24

2.1.1.1 Cấu trúc PID không có phảnhổi vị trí 24

2.1.1.2 Cấu trúc PID có phản hồi vị trí 28

2.1.1.3 Cấu trúc nối tiếp PI-PD 30

2.1.1.4 Cấu trúc nối tiếp PID-D 31

2.1.1.5 Giới thiệu một số thiết bị điều chỉnh PID trong công nghiệp 32

a Thiết bị điều chỉnh PID bằng khí nén 32

b Thiết bị điều chỉnh PID bằng điện tử 32

c Thiết bị điều chỉnh PID dựa trên PLC 33

2.1.2 Tác động củacác thành phần p, I, D 34

2.2 Chọn thông số tối ưu cho bộ điều khiển tuyến tính 37

2.2.1 phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được 37

2.2.1.1 phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được cho hệ bậc 2 37

2.2.1.2 phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giản thay đổi được cho hệ bậc cao 38

CyOlíYO: &hS, Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềo - ỉ - SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyf)(Y ( ~J í O ồằ CŨI Jễ$ íìỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

2.2.1.3 Xét ảnh hưởng của tử số hàm truyền 39

2.2.2 ph ương pháp bù hằng số thời gian trội 40

2.2.2.1 Khái niệm chung 40

2.2.2.2 Thiết kế bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn phẳng 41

2.2.2.3 Thiết kế bộ điều chỉnh cho hệ có hành vi tíchphân 44

2.2.2.4 Thiết kế bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng 45

2.2.3 Phương phán thiết kế bộ bù 48

Chương III Bộ điều khiển mờ 50

3.1 Khái niệm chung 50

3.1.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 50

3.1.2 Ưu nhược điểm của bộ điều khiển mờ 51

3.1.3 Yêu cầu khi thiết kế bộ điều khiển mờ 51

3.2 Mờhoá ! 52

3.3 Quy luật suy diễn và cơ chế suy diễn mờ 52

3.3.1 Mệnh đề hợp thành 52

3.3.2 Quy tắc hợp thành 53

3.3.3 Luật hợp thành 55

3.3.3.1 Luật hợp thành một điều kiện 56

3.3.3.2 Luật hợp thành nhiều điều kiện 59

3.3.3.3 Luật của nhiều mệnh đề hợp thành 59

3.4 Giải mờ 63

3.4.1 Giải mờ theo phương pháp cực đại 64

3.4.1.1 Nguyên lý trung bình 64

3.4.1.2 Nguyên lý cận phải 65

3.4.1.3 Nguyên lý cận trái 65

3.4.2 Phương pháp điểm trọng tâm 66

3.4.2.1 Phương pháp cho luật họp thành SUM-MIN 67

3.4.2.2 Phương pháp độ cao 68

3.5 Thiết kế bộ điều khiển mờ 68

3.5.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh 68

3.5.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ động 73

3.5.2.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ theo luật PID 74

3.5.2.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ theo luật 1 74

3.5.2.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ theo luật PI 75

3.5.2.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ theo luật PD 76

Chương IV ứng dụng bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ cho đôi tượng công nghiệp 77

4.1 Tổng quan lò nung lên tục 77

4.1.1 Khái niệm lò nung liên tục 77

4.1.2 Các thông số kỹ thuật, kinh tế 78

4.1.2.1 Nhiệt độ của kim loại 78

4.1.2.2 Lượng kim loại bị oxy hoá 79

4.1.2.3 Năng suất lò nung 79

4.1.3.4 Xuất tiêu hao nhiệt 80

4.1.3 Hệ thống đo và điều chỉnh lò nung liên tục 80

CyOlíYO: &hS, Qlạuụễn Tôtừù Qtam -4- SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

j)è án mồn hoe : ~ĩ jyf)(^ ~ĩ f)

~( 5 k ca JêX f ìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

4.1.4 Xây dựng hệ thống tự động khâu lò nung - máy cán 83

4.2 Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng là lò nung 85

4.2.1 Mô hình toán học của đối tượng công nghiệp 85

4.2.1.1 Hàm truyền của đối tượng 85

4.2.1.2 Chọn thiết bị đo 85

4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID 86

4.2.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 86

4.2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tương tự (PI) 87

4.2.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ 88

4.2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh 88

4.2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ động 92

4.2.4 Kết quả mô phỏng với nhiễu đầu vào và đầu ra 97

4.2.5 So sánh giữa tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp kinh điển 98

cyoiíro: &hS, Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềe - 5- SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

TỔNG QUAN CHUNG VỂ THIẾT BỊ ĐlỂU CHỈNH TỤ ĐỘNG

1.1 Chất lượng của hệ thông điều khiển tự động.

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ, các hệ thống điều khiển tựđộng có vai trò và vị trí quan trọng trong việc phát triển của khoa học kỹ thuật vàcông nghệ Thực tế trong mọi lĩnhvự cuộc sống hàng ngày đều bị chi phối bởi mộtvài hệ thống điều khiển tự động như: hệ thống điều chỉnh của máy điều hoà, máygiặt Trong công nghiệp như: HTTĐ điều khiển các máy công cụ, THĐK máytính, hệ thống kiểm soát chất lượng sản phẩm, hệ thống điều khiển giao thông,năng lượng, robot

Một hệ thống điều khiển tự động có cấu trúc chung như hình 1.1:

Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển tự động baogồm:

e(t) : tín hiệu sai lệch điều khiểnz(t) : tín hiệu phản hồi

f(t) : tín hiệu nhiễu tác động lên đối tượng o

Thiết bị điều khiển là một bộ phận quan trọng, nó tạo ra tín hiệu điều khiểnu(t) để tác động vào đối tượng nhằm đảm bảo tín hiệu ra y(t) của hệ thống thoảmãn các chỉ tiêu chất lượng định trước

Ớ hình 1.1 Ta thấy đầu vào của bộ điều khiển là sai lệch e(t) = r(t) - z(t) đầu

ra của bộ điều khiển là tín hiệu điều khiển u(t)Đối với bộ điều khiển đơn giản thì có 1 đầu vào và 1 đầu ra (SISO), bộ điềukhiển phức tạp là bộ điều khiển có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO),

Bộ điều khiển có nhiệm vụ duy trì sự ổn định của hệ thống nghĩa là nó điềuchỉnh quá trình của hệ thống tiến tới một giá trị xác lập

cyoiíro: &hS, Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềc - ó - SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyt)(Y ( ~J í O ồằ CŨI Jễ$ ílỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

1.1.1 Nguyên tác điều khiển và phân loại hệ thông điều khiển

1.1.1.1 Các nguyên tấc điều khiển

Các hệ thống điều khiển tự động có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản:

- Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch

- Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu

- Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo sail lệch và bù nhiều

1.1.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển tự động có thể phân loại theo nhiều phương pháp khácnhau đó là:

- Hệ thống điều khiển tuyến tính, hệ thống điều khiển theo phi tuyến

- Hệ thống liên tục, hệ thống rời rạc ( hệ xung - số)

- Hệ tiền định, hệ thống ngẫu nhiên

Hệ thống tối ưu: là hệ thống điều khiển phức tạp, trong đó thiết bị điều khiển

có chức năng tổng hợp được một tín hiệu u(t) tác động lên đối tượng nhằm chuyểntrạng thái điều khiển tự động từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối với khoảng thờigian nhắn nhất hoặc làm cho hệ đạt được độ chính xác điều khiển cao nhất

Hệ thống điều khiển thích nghi (hay còn gọi là hệ thống tự chỉnh) là hệ thống

có khả năng thích ứng tự động những biến đổi của điều kiện môi trường và đặc tínhcủa đối tượng Hiện nay hệ thống thích nghi được sử dụng rộng rãi như: các thiết

bị tĩnh, kỹ thuật số, hệ thống có ghép nối với vi xử lý và máy tính

Một hệ thống ĐKTĐ được gọi là ổn định khi tín hiệu ra của hệ thống tắt dầntheo thời gian để mô tả quá trình động hay quá trình tắt dần của hệ thống đó theothời gian , người ta dùng đặc tính quá độ Như vậy đặc tính quá độ để mô tả quátrình quá độ của hệ thống

y(t)

Hình 1.2 Đặc tính quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian

1.1.2 Các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ĐKTĐ

j)è án mồn hạc : J Ẩyf){J^ĩ Đ

\ 5% Ị ± 5%

t -

►

0 \ _ 0 Ts + k + ì 1 + k

~(5k ca JêX ílỉựành: r f)iỉn hhiên tư ĩtồnụ

Chất lượng động có thể đánh giá bằng phương pháp tính toán hay phươngpháp dùng đồ thị nhưng chí gần đúng và khi

tính toán mất nhiều thời gian

Nếu biết trước cấu trúc và thông số của

hệ, phương pháp mô hình hoá trên máy tínhvừa nhanh, vừa đảm bảo độ chính xác tin cậy

Với hình 1.3 là hàm quá độ y(t) với đápứng của hệ khi tín hiệu vào là nấc bậc thangđơn vị x(t) = l(t) có các chí tiêu chất lượngđộng như sau:

• Lượng quá điều chỉnh

8% : lượng quá điều chỉnh

Y(oo) : giá trị xác lập của đại lượng

tqd

Hình 1.3 Hàm quá độ y(t) với tín hiệu vào x(t)=l(t)

raY(max): giá trị cực đại

• Thời gian quá độ (tqd ) là thời gian được tính từ lúc hàm quá độ được xem là

không lớn hơn miền sai số ± 5% y(oo)

• Độ tác động nhanh : Độ tác động nhanh của hệ thống được đấnh giá bằng thờigian tm là thời điểm mà hàm quá độ có giá trị cực đại ymax

• Số lần dao động (n) : Là số lần dao động quanh trị số xác lập y(oo) trước khi kếtthúc quá trình quá độ

1.1.2.1 Chất lượng tĩnh:

Ớ hệ điều chính, chất lượng được đánh giá theo sai lệch tĩnh

e = lim e{t) = e(oo)

trong trường hợp chung, nếu cơ cấu điều khiển và đối tượng điều khiển có hàmtruyền tương ứng với:

Hs)=irẨ<)wẨ')

Wdk(s) : hàm truyền của bộ điều khiển

Wdt(s) : hàm truyền của đối tượngTheo định nghĩa về giới hạn, sai lệch tĩnh được xác định bởi:

e = lime(/) = lim.s’£'(s) t—>ao s—>0

Như vậy ta thấy sai lệch tĩnh phụ thuộc vào cấu trúc và thông số của hệ thốngcũng như tín hiệu vào ở các hệ điều khiển khi tín hiệu vào có dạng bậc thang đơn

vi (đai lương tương đối) x(t) = l(t), X(s) = 1/s thì khi đó : e =

lim -í-r^-^ol + ]T(y)Khi hệ thống là một khâu quán tính đơn giản thì :

e = lim -= lim——— = —-—

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyt)(Y ( ~J í O ồằ CŨI Jễ$ íỉỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

Ts + \

cyoiíro: &hS, Qlạuụễn Tôtừù Qtam - 8- SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

Sai lệch tĩnh tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch đại k., muốn giảm sai lệch tĩnh cầntăng kệ số khuếch đại k của hệ thống

1.1.2.2 Chất lượng ỏ quá trình quá độ:

Chất lượng ở quá trình quá độ được đánh giá qua các chỉ tiểu như lượng quáđiều chỉnh 8%, thời gian quá độ tqd, thời gian đáp ứng tm , thời gian có quá điềuchỉnh t§

Có hai phương pháp đánh giá chất lượng này phương pháp trực tiếp vàphương pháp gián tiếp Phương pháp trực tiếp cơ sở trên việc đo và xác nhận chấtlượng của hệ theo tín hiệu đầu ra như hàm quá độ phương pháp gián tiếp xácđịnh ảnh hưởng của điều chỉnh của quá trình quá độ

• Phương pháp trực tiếp

Nội dung của phương pháp này là xây dựne đặc tính của quá trình nên nó làphương pháp giải phương trình vi phân tuyến tính, phương pháp toán tử đã đơngiản hoá 1 phần việc tính toán, một thời gian dài, phương pháp tần số cơ sở trênmối liên hệ giữa làm quá độ và đặc tính tần biên pha cho phép xây dựng bằng đồthị hàm quá độ h(t) của hệ thống theo các đặc tính tần số mẫu

Với sự phát triển của máy tính, đầu tiên là những máy chuyên dùng tương tựcho phép mô hình hoá các hệ tự động theo thương trình vi phân hay theo hàmtruyền đạt để nghiên cứu, khảo sát và đánh giá chất lượng của hệ

Ngày nay máy tĩnh số phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng và với dunglượng bộ nhớ lớn đã không ngừng thay thế được máy tính tương tự mà còn chophép khảo sát và đánh giá các hệ tự động với tốc độ và độ chính xác ngày cang cao.Trong lĩnh vực nghiên cứu các hệ tự động những phần mền chuyên dùngnhư TUTSIN, MATLAB không những được dùng để mô phỏng nghiên cứu, khảosát mà còn điều khiển trực tiếp các hệ tự động, không phải lập trình phức tạp, thaotác đơn giản dễ sử dụng

• Phương pháp gián tiếp

Với hệ bậc hai, các mối quan hệ giứa chỉ số dao động Mp

M 'ịM

p W Á™>)

cop là tần số ở biên độ cực đại với 8% tqd, tm , yc , O)0

Cũng như mối liên hệ giữa k, T với các chỉ số chất lượng nói trên đã được đânhgiá chính xác theo định lượng Những mối quan hệ trên có thể được áp dụng chocác đặc tính tần

Trong kỹ thuật tự động rất thông dụng toán đồ Nichols (hình 5.4 trang 143,sách Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại của PGS-TS: NguyễnThương Ngô)

Trục tung có các trị số của y((ờ) hay ịjy(jũr)\ của hệ hở Trục hoành là độ dịch

pha của hệ hở cp Những đường đồng mức của biên tần của hệ kín theo đặc tính của

độ dự trữ ổn định về pha càng lớn vàchỉ số dao động Mp càng bé ở hình 1.4

cĩ đặc tính «ầ((o) mẫu cĩ thể sử dụngcác tốn đồ để thể hiện mối liên hệ giữacác thơng số của đặc tính tần hệ hở vớicác chỉ số của đặc tính tần hệ kín cũngnhư hàm quá độ của nĩ

1.1.23 Chất lượng hỗn hợp:

Ở một mức độ nào đĩ, chất lượng động và chất lượng tĩnh cĩ thẻ được đánhgiá theo tiêu chuẩn hỗn hợp, phương pháp đánh giá này rất thuận tiện trong cơngviệc tính tốn & thưc nghiệm đê phân tích và tổng hợp các hệ tối ưu

Nếu tín hiệu ra y(t) và cùng với nĩ sai lệch e(t) khơng dao động quanh trị sốxác lập y(oo) dùng tiêu chuẩn phân dạng

Khi đĩ dao động, tiêu chuẩn trên khơng được thì cĩ thể dùng tiêu chuẩn dạng

a : Trong số để đánh giá mức độ quan trọng của tốc độ biến đổi của sai lệch (cũng

như của đầu ra) so với bình phương sai lệch

qrOTCrO: &hS, Qlạuụễn 7ƠÓÌ Qlam tềc -10- *§> &V: PHẠM VIỆT ANH JC 3Sm

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyt)(^ ( ~ĩ í O ồằ CŨI Jễ$ ílỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

1.2.1 Các quy luật điều chỉnh vị trí

1.2.1.1 Khái niệm về điều chỉnh vị trí

Điều chính vị trí là quy luật khơng tuyến tính nĩ khơng cĩ mối liên hệ mộtcách liên tục giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của máy điều chỉnh đặc tính tác độngmáy điều chính mang tính vị trí phụ thuộc vào dấu và giá trị tín hiệu sai lệch

1.2.1.2 Quy luật điều chỉnh 2 vi trí

Với quy luật này tín hiệu ra của máy điều chỉnh xác định ở 1 trong 2 trạngthái là Umax hoặc Ưmin

Phương trình 1Ĩ1Ơ tả tốn học được viết:

Ư = B Sign(e)

+ khi e > 0 Sign(e) =1 u = B = Umax+ k h i e < 0 Sign(e) =-1 u =-B = ưmin

Máy điều chỉnh 2 vị trí thực chất là 1rơle 2 vị trí lý tưởng cĩ tín hiệu vào là e, quátrình quá độ điều chỉnh hệ thống được thểhiện như sau:

Lúc bắt đầu điều chỉnh (0 -i-Tl )> y<

X , e = y-x > 0 ta cĩ tác động điều chỉnh u =

Ư max

Khi t= TI thì y > X, e = X - y < 0 tác động điều chỉnh u = ư min

Nhưng do quá trình y tiếp tục tăng, sau đĩ mới cho tới thời điẻm T2 e = 0

và tác động điều chỉnh u = Umax Nhưng do y vẫn tiếp tục giảm xuống theo quantính, rồi sau đĩ mới tăng lên đến T3 thì y > X tác động điều chỉnh u = Umin , quátrình cứ lặp đi lặp lại như vậy Do tác động cĩ 2 vị trí là Umax và Umin nên quátrình điều chỉnh mang tính tự dao động xung quanh giá trị chủ đạo X Chất lượngcủa quá trình điều chỉnh được đánh giá bằng 2 tham số

1.2.1.3 Quy luât điều chỉnh 3 vi trí

Quy luât điều chính 3 vị trí này cĩ 3 mức tác động khác nhau là Umax, Um in

và Utb, sẽ tác động khi sai lệch e lớn, nĩ nhằm mục đích nhanh chĩng đưa hệ vềtrạng thái cân bằng Tác động của Utb và Umin quy định chất lượng của quá trìnhđiều chỉnh ở trạng thái xác lập

Phương trình mơ tả như sau:

u = B Sign(e)

B : là tác động điều chỉnhSign(e): là lấy dấu của sai lệch+ khi e > a, y< X - a, Sign(e) = 1, u = B = Umax+ khi e > 0, e < a, 0 < X- y < a, Sign(e) = 0, u = Utb

Hình 1.5

CỳVTCrO: C7h<s Qlạuụễn 7ƠÓÌ Qlam ièo -11 - *§> &V: PHẠM VIỆT ANH JC 3Sm

iii

! tIi

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyt)(^ ( ~ĩ í O ồằ CŨI Jễ$ ílỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

tl tỉ

Khi bắt đầu làm việc, sai lệchtĩnh rất lớn lúc đó e > a đối tượng sẽđược nhận tác động là Umax vì vậy hàm

y tăng rất nhanh, tới thời điểm tị , 0 < e

< a đối tượng được điều chính nhậnđược u = Utb, hệ thống chuyển trạngthái từ Utb sang Umin, từ thời điểm nàytrở đi quá trình điều chính sẽ tạo ra 1giá trị xác lập giống như điều chỉnh 2

vị trí với mức tác động giữa Ưtb vàUmin

Ta xét tại mỗi thời điểm thực chất quy luật điều chỉnh 3 vị trí nhu’ 2 vị trínhưng có 3 mức tác động Umax, Utb và Umin, chất lượng điều chỉnh 3 vị trí tốthơn 2 vị trí

1.2.1.4 Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi

Nếu chúng ta nối tiếp thiết bị vị trí vối cơ cấu chấp hành có tốc độ khôngđổi sẽ được một hệ thống chấp hành

Cơ cấu chấp hành thường là động cơ, chính là khâu tích phân có hàm truyền

Tc là hằng số thời gian chuyển dịch của cơ cấu chấp hành từ vị trí giới hạn

Hình 1.6

1

TcP

đầu đến vị trí giới hạn cuối

Quy luật điều chỉnh vị trí cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi được mô tảbằng phương trình : du 1 / X

cơ cấu chấp hành Giá trị đầu ra sẽ đượcđiều chỉnh phù hợp hơn, khi ở trạng tháicân bằng quá trình dao động sẽ nhỏ hơn

T): T/ífV QtgííựỀn Jôí)ài Qtam iảc 1 2

+ khi e > a, y< X - a, Sign(e) = 1, u = B = Umax+ khi e > 0, e < a, 0 < X- y < a, Sign(e) = 0, u = Utb+ khi e< 0, y > X Sign(e) = -1

Máy điều chính đưa ra tín hiệu bằng 0, động cơ ngừng làm việc, từ thời điểm

t, tác động điều chỉnh được giữ cố định, từ đó có thể xảy ra 2 trường hợp

- y tăng vượt quá X + a, luc đó động cơ quay theo chiều ngược lại

- y giảm xuống dưới giá trị X - a, động cơ đảo chiều quay để tăng y

Ưu điểm: cơ bản điều chỉnh cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, nhanh chóng đạt giá

trị xác lập

Nhược điểm: Luôn tồn tại quá trình tự dao động, trong thực tế quy luật điều

chỉnh vị trí được sử dụng cho những đối tượng có tính tự cân bằng cao, các quátrình công nghệ cho phép sai số lớn

1.2.2 Các quy luật điều chỉnh liên tục

Trong các hệ thống điều chỉnh tự động trong công nghiệp hiện nay thường

sử dụng các quy luật điều chỉnh chuẩn Quy luật tỉ lệ, quy luật tích phân, quy luật

tỉ lệ tích phân, quy luật tỉ lệ vi phân, quy luật tỉ lệ vi tich phân

Quy luật tỉ lệ được mô tả băng phương trình vi phân trong miền thời gian :

việc ổn định với tất cả các đối tượng.

Trong công nghiệp quy luật tỉ lệ thường được sử dụng cho những quy trìnhcông nghiệp cho phép có sai lệch tĩnh, để giảm sai lệch tĩnh quy luật tỉ lệ thườngđược hình thành theo biểu thức: Uđ = U0 + Km e

U0 : là điểm làm việc của hệ thống , tác động điều khiển luôn luôn giữ cho tínhiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị này khi xuất hiện tín hiệu sai lệch

• Ta xét tới chất lượng quá độ của hệ thống khi thay đổi hệ số K^ bằng cáchthực hiện chạy mô phỏng nhiều lần trên máy tính ta thu được kết quả như sau: (tínhiệu vào có dạng x(t) = 1 (t)):

Đường 1 : là K^ nhỏ, tác động điều chỉnh nhỏ dần quá trình không dao động

1.2.2.2 Quy luật tích phân (I):

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam - 15 ■ «ổ> &V: PHẠM VIỆT ANH JC 3Sm

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyf)(^ ( ~ĩ í O ồằ CŨI Â*í íìỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

l cp(co)

(0 -►

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyf)(^ ( ~ĩ í O ồằ CŨI Â*í íìỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

Hình 1.12

Ta CÓ nhận xét:

Quy luật tích phân phản ứng kém với các tín hiệu tần số cao trong tất cả dảitần số tín hiệu ra và luôn chậm pha hơn so với tín hiệu và 1 góc 7ĩ/2 quy luật tíchphân tác động chậm hệ thống tự động được sử dụng máy điều chỉnh theo quy luậttích phân sẽ dễ bị dao động

Ti là hằng số thời gian tích phânNếu Ti càng nhỏ thì quá trình điều chỉnh càng dao động mạnhQuá trình thực hiện trên máy tính vẽ được quá độ như sau:

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam ỉèo - 16 - *§> &V: PHẠM VIỆT ANH JC 3Sm

e(t)

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn TôtùùMam ỉèo - 1 7 - *?> SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

•Nhược điểm: Tin hiệu ra của khâu tích phân luôn luôn chậm pha với tín hiệu vào

1 góc TT/2, nên khâu tích phân tác động chậm , do đó máy điều chỉnh tự động sửdụng quy luật tích phân kém ổn định , vì vậy mà nó được ít sử dụng trong côngnghiệp

1.2.2.3 Quy luật tỉ lệ tich phân (PI)

Để vừa tác động nhanh, vừa triệt tiêu sai lệch tĩnh, người ta kết hợp quy luật tỉ

lệ với quy luật tích phân để tao ra quy luật tỉ lệ tích phân, tín hiệu điều khiển đượcxác định :

lệ, nghĩa là tác động tăng lên 2 lần, Ti làkhoảng thời gian gấp đôi

lệch pha tín hiệu vào từ (n/2 - 7 - o) như vậy về độ tác động quy luật PI chậm hơn

so với p nhưng nhanh hơn so với quy luật I, do đó cấu trúc có thành phần tích phânnên có thể lựa chọn để triệt tiêu sai lệch tĩnh

Đăc tính quá độ của sai lệch tĩnh khi sử dụng quy luật PI (với Km và Ti khácnhau)

PI trở thành gần giống với quy luật I,

T): T/ífV QtgííựỀn Jôí)ài Qtam iảc - 1

Hình 1.16

~( 5 k ca JêX f ìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

vi vậy tác động chậm không còn sai lệch tĩnh-Đường 3 : Km lớn, Ti lớn, quy luật PI mang đặc tính quy luật p, hệ thống daođộng với tần số lớn, tồn tại sai lệch tĩnh

-Đường 4 : tương ứng với quá trình điều chỉnh Km lớn và Ti nhỏ , tác động điềuchỉnh rất lớn, quá trình điều chỉnh dao động mạnh

-Đường 5 : đặc tính quá độ chọn tham số chuẩnTrong thực tế quy luật PI được sử dụng khá rộng rãi và đáp ứng được chấtlượng hầu hết các quy trình công nghệ

1.2.2.4 Quy luật tỉ lệ vi phân (PD):

Tác động quy luật PD được mô tả bằng phương trình vi phân

Khi Cừ = 00, quy luật PD có đặc tính như phần tử vi phân với (p = 7t/2, quy luật

PD có 2 tham số cần hiệu chỉnh K^, Td Nếu Td = 0 thì quy luật PD trở thành quyluật p đặc tính của khâu PD phụ thuộc vào các giá trị Km, Td và co tín hiệu ra luôn

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam - 20 - *§> SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

j)è án mồn hoe : ~ĩ jyf)(^ ~ĩ f)

~( 5 k ca JêX f ìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

vượt pha trước tín hiệu vào (0 -ỉ- TT/2) Như vậy về độ tác động nhanh quy luật PDnhanh hơn quy luật p nhưng quá trình điều chỉnh tồn tại sai lệch tĩnh Phần tử viphân tăng tốc độ tác động nhưng cũng nhạy cảm với nhiễu tần số cao, đây là điềukhông mong muốn

Trong công nghiệp quy luật PD chỉ sử dụng ở đâu đòi hỏi tốc độ tác độngnhanh

1.2.2.5 Quy luật điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân (PID)

Để tăng tốc độ tác động của quy luật PI, trong thành phần của nó người taghép thêm thành phần vi phân và nhận được quy luật tỉ lệ vi tích phân

Tác động điều chỉnh được mô tả bằng phương trình:

Km = KI : hệ số khuếch đại

Ti = KI / K2 : hằng số thời gian tích phân

Td = K2 / KI : hằng số thời gian vi phân

Hàm truyền đạt cảu PID : \ Ti.p

Quy luật PID có 3 tham số cần hiệu chỉnh : Km, Ti, và TdXét ảnh hưởng của 3 tham số :

+khi Td = 0 và Ti —> 0, quy luật PID trở về quy luật p+khi Td = 0 và Ti = 0, quy luật PID trở về quy luật I+Khi Ti —» 00 quy luật PID trở về quy luật PD

Sự phụ thuộc vào các tham số giữa Ti và Td, góc lệch pha giữa tín hiệu vào và

tín hiệu ra năm trong khoảng (-7t/2 -ỉ- n/2)

Nếu chọn tham số tối un, quy luật PID tác động nhanh hơn quy luật tỉ lệ vàtriệt tiêu được sai lệch tĩnh, nói khac đi, PID sẽ đáp ứng được chất lượng của mọiquá trình công nghệ nếu chúng ta chọn được thồng số tối ưu cho chúng Tuy nhiênviệc chọn thông số tối ưu cho 1 tổ bộ 3 thông số Km, Ti, và Td là rất khó khăn, đòihỏi người kỹ thuật phải có 1 trình độ nhất định về việc tổng hợp hệ thống tự độngtrong công nghiệo Quy luật PID chỉ sử dụng cho các đối tượng điều chỉnh cónhiễu thay đổi liên tục hoặc các quá trình công nghệ đòi hỏi độ chính xác cao màquy luật PI không đáp ứng được

cyoiíro: &hS, Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềe - 2 2 - *§> &V: PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

j)è án mồn hoe : ~ĩ jyf)(^ ~ĩ f)

w (p)=jfị = K P + — + K d-P

~( 5 k ca JêX f ìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

CHƯƠNG II

BỘ ĐIỂU KHIỂN PID

Trong ngành công nghiệp hiện may bộ điều khiển PID (Proportional IntesgralDerivative) được sử dụng rất rộng rãi và phổ biếnt.Luật điều khiển PID đưa vào hệthống với mục đích làm cho hệ thống đảm bảo tính ổn định và đáp ứng chỉ tiêu chấtlượng theo yêu cầu Có thể khẳng định, trong hệ thống điều khiển tự động hoá quátrình sảm xuất thiết bị điều khiển PID luôn giữ vai trò quan trọng và không thểthiếu

Bộ điều khiển PID đáp ứng được cả ưu điểm của bộ điều khiển p, PI, PD

2.1.1 Cấu trúc PID.

Hàm truyền của bộ điều chỉnh PID có dạng như sau:

Trong hoạt động của bộ điều chỉnhPID, hiệu quả của tác động điều khiển

là tích phân là sự loại trừ sự truyền tínhiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt là trongtrường hợp có nhiễu lớn

Trong thực tế bộ điều khiển PID

có thể tạo ra bằng nhiều cách Sau đây

em giới thiệu một số cấu trúc PID trongthực tế:

2.1.1.1 Cấu trúc PID không có phản hồi vi trí

Cấu trúc của máy gồm 1 khâu khuếch đại mạch thuần trở với hệ số k khá lớn.tín hiệu ra của bộ khuếch đại tác động lên cơ cấu chấp hành đồng thời đưa trở lạimạch phản hồi (gồm hai khâu quán tính bậc 1 mắc nối tiếp với nhau, có hằng sốkhuếch đại K,,)

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềe - 2 3 - *§> SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

7Ì +T, Đăt K m = — -— : Là hê khuếch đai của máy điều chỉnh PID

KK „

Tị = Tị+T 2 : Là hằng số thời gian tích phân

T d = T T— Là hằng số thời gian vi phân

Tì + Tn d=T-s = ~y

T-1

STịT d p +ST c p + S + \

: Là khâu PID lý tưởng

K m 1H -f T d p : Là khâu PID lý tưởng

Để xây dựng vùng làm việc bình thường thì có 4 tham số cần điều chỉnh K^, Td

và 0) nên việc xây dựng rất phức tạp

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềe - 2 4 - *§> SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềe - 2 5 - *?> SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

j)è án mồn hoe : ~ĩ jyf)(^ ~ĩ f)

í 4,22

+ 1- Scl4,2

2 N

Xây dựng vùng làm việc bình thường

2.1.1.2 Cấu trúc PID có phản hồi vị trí.

Với cơ cấu này, tín hiệu phản hồi không lấy ở đầu ra mạch khuếch đại màlấy ở

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềe - 26 - *§> #Vĩ PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

~( 5 k ca JêX fìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

Hình 2.3 sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển có phản hồi vị trí

Đầu ra cơ cấu chấp hànhHàm truyền của PID có dạng

T t K„ : Là hệ khuếch đại của máy điều chỉnh PID

Tị = Tị+T 2 : Là hằng số thời gian tích phân

T d = T T— Là hằng số thời gian vi phânT\ + Tn

d = ĩf;S=

T d Ti=T\Tl

(ỵi>7ủ7h <Jh£ Qlựuụỉn Xoài Wam fy> -27 «d> PHẠM VIỆT ANH

K T i-P ( \ _ \

W L { P )=K, 7 Ỉ 1 + —+ 7^.p : Là khâu PID lý tưởng

t r í , Từ PID ta có thể chuyển về p bằng cách cho Tị =00,7^ =0 cho T2 = 0 ,Tị rất

j)è án mồn hoe : ~ĩ jyf)(^ ~ĩ f)

ị + ^— + Td-P

Tj.p

~( 5 k ca JêX f ìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

2.1.1.3 Cấu trúc nơi tiếp PI-PD

Sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 2.4 sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiên nối tiếp PI-PD

K„T, Hệ số khuếch đại PID

Tị = T Ị + (l + a)T 2 Hằng số thời gian tích phân

Hai khâu quan tính bậc 1

qam/D: OltỊUựỄn 7ƠÓÌ Qlam tềe - 2Ọ - *?> SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

Mối quan hệ giữa thông số hệ thống và thông số thiết bị :

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềe - 30 - *§> #Vĩ PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, tin học Nguyên lý điềukhiển PID không thay đổi, nhưng thiết bị điều khiển PID đã có nhièu thay đổi cả vềphần cứng cũng như phần mên đặc biệt nhờ sự phất triển mạnh mẽ của vi xủ lý, sự

ra đời của bộ điều khiển PLC Chúng ta có thể lập trình được và có vai trò , vi trí rấtquan trọng trong các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất nói chung và trongđiều khiển quá trình sản xuất nói riêng

Một số PID điển hình : PID khi nén, PID điện tử, PID số

a Thiết bị điều khiển PID bằng khỉ nén

Bộ điều khiển PID băng khí nén được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự độngđiều khiển công nghiệp như : công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, côngnghệ chế tạo máy và năng lượng Trong thiết bị điều khiển khí nén bao gồm bộđiều khiển , thiết bị nghi nhận và hiện thị, các PID bằng khí nén hiện đại có khảnăng làm việc độc lập, và có thể làm việc với máy vi tính

Bộ điều khiển PID bằng khi nén có ưu điểm: cấu tạo gọn nhẹ, hoạt động chắcchắn, tin cậy trong các môi trường dầu khí, ẩm ướt, hoặc môi trường axit, bazơ, môitrưong nhiệt độ cao, không nguy hiển tổng môi trường dầu khí dễ cháy nổ

b Bộ điều khiển PID điện tử

Các bộ điều khiển PID bằng điện tử có khả năng hoạt động rất bền vững vàtin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ, kích thước và trọng lượng được tối thiểu hoá đếnmức nhỏ nhất, việc lắp đặt đơn giản và gọn nhẹ, các thiết bị điều khiển PID điện tửhiện đại có thể làm việc trực tiếp với các máy vi tính dễ dạng, việc cài đặt các thông

số Kp, Tj, Td, dễ dàng và chính xác hơn bằng khí nénTuy nhiên bộ điều khiển PID điện tử còn một số hạn chế: độ bền vững kémtrong khi làm việc ở chế độ khắc nghiệt như: độ ẩm cao, nhiệt độ lớn, môi trườngaxit, bazơ, dễ ngay cháy nổ

Hình 2.7 SƯ đồ câu trúc chung của PID điện

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềc - 31 - *§> #Vĩ PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

Khi thiết kế chọn : R\CỊ « R 2 C 2

Vậy ta có :

w{p)

R 4 R 2 R

3 R J

R 3 C 3 p c

c Bộ điều khiển PID dựa trên PLC

PLC : Program logic control Là thiết bị điều khiển logic lập trình được , PLCđược sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá các quá trình côngnghệ và các dây truyền sản xuất công nghiệp

Trong các bộ điều khiển PLC các luật điều khiển được cài đặt sẵn, song cũng

có thể lập trình được, và cài đặt thuật toán điều khiển PID và PLCƯng dụng của PLC để lập trình bộ điều khiển PID số thông qua thuật toán điềukhiển

Ì5k ca JêX fìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi đế điều khiển đối tượng Siso theonguyên lý hồi tiếp ( hĩnh b) Lý do bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi là tínhđơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sailệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản

về chất lượng

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào - ra:

u(t) = k e{t) + y\e{r)dr + T D

yy-( ** )Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, kp được gọi là hệ sốkhuếch đại, TI hằng số thời gian tích phân và TD là hằng số thời gian vi phân

Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyf)(^ ( ~ĩ í O ồằ CŨI Jễ$ íìỉụành: r f)iỉu khiên tư ĩtânụ

Trong đó K là hệ số khuếch đại của bộ điều khiển , Ub là giá trị lúc khởi động haycòn gọi là giá trị ban đầu Đầu ra bộ điều khiển ưp(t) tỷ lệ với sai lệch e(t) Nếuy(t) mà bằng y0(t) tức ở trạng thái xác lập thì tín hiệu điều khiển bằng 0 Do tínhiệu điều khiển tỷ lệ với sai lệch nên nó cũng tỷ lệ với ảnh hưởng của nhiễu( đặtbiệt nhiễu tác động trong quá tình đo n ) Thành phần tỷ lệ chỉ có vai trò khi tồn tạisai lệch e(t) Như vậy thành phần p có tác dụng như một khâu khuếch đại với hệ số

có thể thay đổi được, nó làm giản sai lệch tĩnh nhưng không thể triệt tiêu vì hệ sốkhuếch đại không thể qua lớn, nếu càng tăng càng mất khả năng ổn định

+ Chế độ tích phân: Tín hiệu điều khiển đưa ra tỷ lệ với tổng các sai lệche(t) Luật điều khiển được biểu diễn như sau :

U,(t) = yị eự) + U(ữ)

Trong đó : + K hệ số khuếch đại

+ Ti hằng số thời gian tích phân+ U(0) là giá trị của tín hiệu điều khiển khi t = 0

Thành phần tích phân nó ảnh hưởng tới việc đưa giá trị y dần đạt tới y0 tức

là có khả năng triệt tiêu sai lệch của thành phân tỷ lệ (triệt tiêu sai lệch tĩnh ) Nếue(t) là một hằng số thì tín hiệu điều khiển ở đầu ra sẽ tỷ lệ tuyến tính với nó, cònnếu như e(t) biến thiên thì tín hiệu điều khiển sẽ càng lớn nếu như e(t) càng lớn

Tín hiệu điều khiển của khâu này không chỉ tỉ lệ với giá trị sai lệch ở thời điểmhiên tại mà còn tỉ lệ với cả tín hiệu sai lệch ở thời điểm trước đó Tác động củathành phần tích phân là đáp ứng chậm hơn so với sự thay đổi của e(t) do vậy nókhông thể thay đổi một cách nhanh chóng như các thành phần khác, thành phầnnày có tên gọi là ‘ slovv mode’

tích phân Tín hiệu điều khiển đưa ra tỷ lệ với sự thay đổi của sai lệch e(t) vỏy khisai lệch e(t) là một hằng số thì thành phần này không tác dụng nữa hay tín hiệuđiều khiển bằng 0 Luật điều khiển được mô tả bởi phương trình:

U„(t) = KT„^

dí

Trong đó : TD là hằng số thời gian vi phânThành phân này chỉ đưa ra tín hiệu điều khiển khi có biến thiên sai lệch đầuvào e(t) nằm trong vùng nhiều tần số cao hoặc khi tín hiệu đặt thay đổi Khi sailệch e(t) là một hằng số thì thành phân vi phân không có tác dụng Thành phần viphân đưa ra tín hiệu điều khiển dựa trên sự biến thiên về hướng và tốc độ của sailệch e(t) Tác động của tín hiệu điều khiển đáp ứng nhanh với sự thay đổi của sailệch bởi vậy nó nhạy cảm với nhiễu Tín hiệu điều khiển này sẽ đạt kết quả cao khi

dự đoán tốt sai lệch xảy ra ở giai đoạn sau Do đó hằng số thời gian vi phân TDkhông được lớn quá so với thời gian những lần thay đổi e(t) Do vậy TD phải đượcgiới hạn bởi thời gian Ti, nó phải thoả mãn yêu câu là nhỏ hơn khá nhiều so với Ti

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam ỉèo -34- *§> SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

Phương pháp hệ số suy giảm ( Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suygiảm thay đổi được) dựa vào đa thức chuẩn bậc 2 được nghiên cứu đầy đủ để tổngquát cho bậc cao hơn

Khi hệ số suy giảm thay đổi, làm chất lượng của hệ thay đổi, khảo sát chất

lượng của hệ khi Ẹ thay đổi bằng Sumulink ta có kết luận: Ẹ càng nhỏ độ qua điều

r i)ồ ẩn mồn hao : r ~ĩ r jyf)(^ ( ~ĩ í O ồằ CŨI Â*í Cìỉụành: CJ)ìỂiL khiên tư ĩtânụ

Cho một số đặc trưng co0 và hệ số suy giảm a lấy cố định Vậy ta tính được

các thông số khác như sau:

Chú ý: Khi cho cùng 1 số hệ số a cho các giá trị n khác thì chất lượng của hệ

thống thay đổi, n càng lớn thì thời gian hàm quá độ lần đầu tiên đạt xác lập càngnhỏ

Hệ số a có tính chất của hệ số suy giảm, khi a càng bé hệ dao động càng

mạnh, a < 1,5 hệ trở lên mất ổn định, a nhỏ độ quá điều chỉnh ơ% lớn Lượng quá điều chỉnh quan hệ với a theo công thức kinh nghiệm

Lg(ơ%)=4,8 - 2à (2.3-3)Thời gian quá độ đạt cực đại

Cị r ()lírO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qiam Cèo - ỉ ó - *§> SO): PHẠM VIỆT ANH JC 3sm

Giả sử hàm truyền kín của hệ có dạng:

w(p)= a ' n pn +ú,'w_1 p n 1 + —

Khi m tăng thì ơ% tăng và t ơ giảm, để có chất lượng G % cho trước người ta

dùng hệ số hiệu chỉnh như sau:

Khi thiết kế a’ được xác định theo mẫu số của (2.3 - 6) sau đó dùng công

thức (2.3 - 7) để xác định lại a rồi xác định lượng quá điều chính theo công thức

(2.3 -3)Thời gian quá độ được tính:

r j)è án mồn hoe : r ~ĩ r jyf)(^ ( ~ĩ í f)

L CỈ z,’z'

~(5k ca JêX fìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

2a'=l,5 + l,6| —Ma-1,5)

2.2.2 Phương pháp bù hằng sô thòi gian trội

2.2.2.1 Khái niệm chung.

Trone các hệ thống điều khiển đối tượng công nghiệp ta thường gặp các đốitượng có 1 hoặc 2 hằng số thời gian lớn, trong khi đó cơ cấu điều khiển chúng lại

có hằng số thời gian rất béKhi đối tượng điều khiển có 1 hoặc 2 hằng số thời gian lớn nếu ta thiết kế bộđiều khiển có khả năng bù được những gằng số thời gian lớn đưa hệ kín của hệthống về dạng bậc 2 chuẩn có dạng:

WẢ P )=— 2 -— —2

j)è án mồn hoe : ~ĩ jyf)(^ ~ĩ f)

TiF k=\

~(5k ca JêX fìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ

2.2.2.2 Xác định thông sô của bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn phảng

Theo tiêu chuẩn phẳng hệ có hành vi tích phânXét trường hợp tổng quát:

Tsk : Là các hằng số thời gian lớn của đối tượng

Tbj : Là các hằng số thời gian bé của đối tượng

Chú ỷ: đối tượng phải đưa về phản hồi -1Nguyên tác chung là bù đủ các hằng số thời gian trội trong mạch hở Do vậy,trong mạch chỉ còn lại hằng số thời gian bé Khi hệ có 1 hằng số thời gian lớnchọn bộ điều chỉnh là 71, khi hệ có 2 hằng số thời gian trội chon bộ điều chỉnh làPID, nếu đối tượng có nhiều hon 2 hằng số thời gian trội thì dùng phương pháp nốitiếp các bộ điều chính , hoặc dung phương pháp khácChọn bộ điều khiển :

(2.3 - 14)

(2.3-15)

Ti Là hằng số thời gian cần xác địnhKhi hệ kín có hàm truyền :

qrOTCrO: C7h<s Qlạuụễn Tôtừù Qtam tềe -39- *§> SO): PHẠM VIỆT ANH JC3Sm

r j)è án mồn hoe : r ~ĩ r jyf)(^ ( ~ĩ í f)

K j=1 K j=1

7nb ( n b ~ ^ ~ nb , x

i 1 Im 1

vì vậy đặc tính của khâu quán tính tương đương sẽ không tương đương với đặc tínhpha của 1 khâu quán tĩnh —» hệ sẽ không ổn định

Tiêu chuẩn phằng được tổng kết như sau:

Re

Hình 2.9