Bai9_ PID

BÀI THỰC TẬP CHUYÊN ĐỀ SỐ 67 BÀI 9 §iÒu khiÓn tù ®éng ®éng c¬ DC theo luËt PID bµi 2 §iÒu khiÓn tù ®éng ®éng c¬ DC theo luËt PID A C¬ së lý thuyÕt 1 HÖ ®iÒu khiÓn tù ®éng 2 C¸c kh©u ®iÒu khiÓn ®éng hä[.]

BI Điều khiển tự động động DC theo luật PID 67 Điều khiển tự động động c¬ DC theo luËt PID A C¬ së lý thuyÕt Hệ điều khiển tự động Các khâu điều khiển động học điển hình Điều khiển PID B Phần thực nghiệm Thực hành mô điều khiển môtơ DC theo luật PID Khảo sát trình điều khiển PID mạch điện tử Chơng trình ®iỊu khiĨn PID qua hƯ thèng sè ghÐp nèi tÝnh C Tài liệu tham khảo 68 máy Bài thực tập chuyên đề Điều khiển tự động động DC theo luật PID Mục đích: Tìm hiểu nguyên tắc điều khiển tự động theo luật PID (tỷ lệ, tích phân, vi phân) Khảo sát trình hoạt động đo đạc thông số hệ điều khiển mạch điện tử PID hệ điều khiển tốc độ mô-tơ ghép nối máy tính Từ rút kết luận so sánh đánh giá Dụng cụ thực nghiệm: - Mô-tơ chiều DC có có giảm tốc (gear), có gắn lập mà quang phát xung tỷ lệ với tốc độ quay trục mô-tơ - Bảng mạch điện tử thực nghiệm điều khiển PID khuếch đại thuật toán (KĐTT) - Bộ đầu cuối ghép nối máy tính dùng vi mạch định thời PIT-8254 dùng cho thực nghiệm điều khiển tốc độ mô-tơ chơng trình phần mềm - 01 máy phát xung vuông mức lôgic TTL biến đổi độ rộng xung - 01 máy sóng kênh - 01 Card vào/ra số bit PPI-8255A/ PIT-8254 cắm vào khe cắm PCI - Máy tính với chơng trình MATLAB, LABVIEW A CƠ Sở Lý THUYếT Hệ điều khiển tự động Hệ thống điều khiển tự động đợc xây dựng tõ bé phËn chđ u: 69 - ThiÕt bÞ điều khiển C (controller) - Đối tợng điều khiển O (Object) - Thiết bị đo lờng M (Measuring device) Đây hệ thống có phản hồi (liên hệ ngợc) với sơ đồ nh hình x e u C z O y(t) M Hình Sơ đồ hệ thống ®iỊu khiĨn tù déng C¸c tÝn hiƯu t¸c ®éng hệ thống gồm: x: tín hiệu vào (tạo điểm đặt), y: tín hiệu ra, u: tín hiệu điều khiển tác động lên đối tợng O, z: tín hiệu phản hồi , e: độ lệch cần điều chỉnh Các khâu ®iỊu khiĨn ®éng häc ®iĨn h×nh Mét hƯ thèng ®iỊu khiển gồm có phần tử nối với theo phơng thức chung nh nối tiếp, song song kiểu hồi tiếp Tính chất trình độ toàn hệ thống phụ thuộc tính chất động học phần tử hợp thành Trong hệ thống, số lợng phần tử nhiều đa dạng chất vật lý, nhng số lợng phơng trình mô tả động học khâu tối giản có hạn Các phần tử thực làm việc phạm vi tần số định Còn việc mô tả động học khâu điển hình đợc thực cho tần số, từ = đến Một khâu điều khiển có sơ đồ tổng quát nh hình 2, x(t) lợng vào, y(t) lợng ảnh Laplace tơng ứng X(s) Y(s) với hàm truyền W(s) x(t) W X(s) y(t) Y(s) Hình Khâu điều khiển 2.1 Khâu khuếch đại tỷ lệ 70 Là khâu mà thời điểm, lợng tỷ lệ với lợng vào theo phơng trình: y kx (1) W(s) Hàm truyền đạt có dạng: Y(s) k X(s) (2) Đặc tính biên pha W(j) = k điểm trục hoành (hình 3.a) Đặc tính lô-ga-rit biên độ - tần số đờng nằm ngang (hình 3.b): L() = 20 lgA() = 20 lgk Đặc tính lô-ga-rit pha - tần số trục hoành: ( ) arctg Q( ) 0 P( ) L() j Q() L() = 20 lg k k A P() () = -() (a) (b) Hình Đặc tính biên pha (a) đặc tính lô-ga-rit khâu tỷ lệ 2.2 Khâu quán tính Khâu quán tính đợc mô tả phơng trình: T dy y kx dt (3) víi T lµ h»ng sè thêi gian, k lµ hƯ số khuếch đại Hàm truyền đạt có dạng: k W(s) Ts (4) 71 Đặc tính tần số biên pha đợc xác định nh sau với s = j: k k (  Tj ) k kT W ( i )     j 2  Tj (  Tj )(  Tj )  T   T 2 A(  )  P (  )  Q (  )   (  ) arctg k  T 2 Q(  ) arctg (  T ) P(  ) Đây phơng trình đờng tròn có bán kính k/2 tâm trục thực cách gốc toạ độ lợng k/2 nh hình jQ() = = k/2 P() A =0 () i =1/ T Hình Đặc trng biên pha khâu quán tính Tại tần số  1 / T th× A(1 / T )  k  (1 / T )  arctg - /4 Đặc tính tần số lô-ga-rit là: L( ) 20 lg A( ) 20 lg k  (T ) 20 lg k  20 lg (T ) Trong phạm vi tần số  / T hay T 2  ta cã: L(  ) 20 lg k 72 Víi   / T cã: L(  ) 20 lg k 20 lg T Đây phơng trình ®êng th¼ng ®i qua ®iĨm sau: L(1 ) 20 lg k  20 lg T L(10 ) 20 lg k  20 lg T  20 lg10 L(1 )  L(10 ) 20db VËy Do vËy, ph¹m vi biến đổi tần số 10 lần (1 dec), đặc tính biên độ lô-ga-rit thay đổi 20 db độ nghiêng 20 db/decade Đặc tính pha tiệm cận với trục hoành với đờng thẳng   /    T¹i tần số gÃy / T , đặc tính pha qua điểm / Đặc tính biên độ pha lô-ga-rit cho hình L() db -20db/dec 20 lgk 1/T  () 1/T -/4 -/2 Hình Đặc tính biên độ pha thang lô-ga-rit khâu quán tính 2.3 Khâu tích phân Khâu tích phân có mối quan hệ lợng lợng vào nh sau: 73 t y k x( t )dt  y 0 (5) víi k hệ số tỷ lệ y0 điều kiện đầu Do hàm truyền đạt khâu tích phân lý tëng cã d¹ng: W(s)  k s (6)  k k  W(j ) -j  e  Và đặc tính biên-pha là: Đặc tính có dạng nh hình 6, biên độ L() = 20 lgk ë tÇn sè  = 1, hay  = k th× L() = L() 20db/dec 20 lgk () -/2 Hình Đặc tính biên pha - tần số khâu tích phân 2.4 Khâu vi phân Khâu vi phân lý tởng đợc mô tả phơng trình: y k (7) dx dt L() Hàm truyền có+ dạng: 20db/dec W(s) ks (8) 20 lgk Đặc tính biên pha đợc cho hình 7.: W(j )  jk  () 74 +/  Hình Đặc tính biên pha - tần số khâu vi phân Điều khiển PID Điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân PID (PropotionalIntegral-Derivative) đợc sử dụng rộng r·i thùc tÕ nh ®iỊu khiĨn robot, tay máy, điều khiển nhiệt độ, tốc độ động cơ, áp suất, v.v Phơng trình mô tả điều khiển PID với lợng vào e(t) lợng u(t) nh sau: u( t ) K P e( t )  K I e( t )dt  K D de( t ) dt (9) Với KP, KI, KD tơng ứng hệ số tỷ lệ, hệ số tích phân, hệ số vi phân ảnh Laplace là: WPID ( s ) K P  KI  KDs s (10) §iỊu khiĨn tû lƯ P víi hƯ sè KP cã tác dụng làm giảm thời gian đáp ứng độ hệ thống giảm độ lệch tĩnh (so với điểm đặt) nhng loại trừ Điều khiển tích phân I với hệ số KI cho phép loại trừ độ lệch tĩnh, nhng lại làm cho đáp ứng độ xấu tăng KI 75 Điều khiển vi phân D với hệ số KD làm tăng tính ổn định hệ thống, giảm hiệu ứng điều chỉnh (overshoot) cải thiện đáp ứng độ ta xét loại điều khiển PID theo cấu hình đơn giản phổ biến điều khiển bù trừ nối tiếp đợc trình bày hình 8, điều khiển PID (cơ cấu hình chấm chấm) đợc đặt nối tiếp với đối tợng cần điều khiển O WPID KP R(s) E(s) + KI/s + + U(s) WO Y(s) + KDs Hình Sơ ®å bé ®iỊu khiĨn PID T thc vµo hµm trun đạt đối tợng cần điều khiển WO mà ta có hàm truyền đạt toàn hệ kín khác Thí dụ, hệ dùng điều khiển PI hàm truyền đạt đối tợng WO = 1/(s+1), tính đợc hàm truyền đạt hệ kín nµy nh sau: W(s) K P (s  T1) Y(s)  R(s) s  (1 K P )s  K P T1 víi T1  KI KP Tuú thuéc vào cách chọn hệ số KP, KI KD mà ta nhận đợc trình khác (có dao động, không dao động, điều chỉnh, thời gian độ dài, ngắn, v.v ) B PHầN THựC NGHIƯM 76 NhÊn vµo phÝm Plot Speed Response sÏ cho ta đồ thị biểu diễn phụ thuộc tốc độ mô-tơ theo thời gian với thông số đợc chọn Thí dụ hình dới kết viÖc chän Kp = 1, KI = 125; KD = Trong trờng hợp điều khiển vị trí, ta sÏ cã giao diÖn nh sau: 85 86 Hai chøc Enter Model Parameters Plot Position Response giống nh ®iỊu khiĨn tèc ®é Cßn nÕu nhÊn phÝm Animate Position Response cho phép ảnh hoạt hình mô chuyển động cần gắn với trục xoay mô-tơ đến góc xác định Trục môtơ Cần tay máy 1.4.2 Yêu cầu thực nghiệm: - Vào chơng trình điều khiển tốc độ, đặt tốc độ cần thiết, đặt thời gian quan sát - Giữ nguyên thông số mô-tơ, thay đổi hệ số KP, KI KD Quan sát kết đáp ứng độ trờng hợp Vẽ đồ thị phụ thuộc thời gian tiến đến trạng thái xác lập tốc độ ghi nhận xét - Tìm giá trị hệ số PID cho hệ tiến tới trạng thái xác lập cách tối u (tiến tới tốc độ xác lập đủ nhanh, không xảy dao động, không xảy ngỡng, không sai lệch tĩnh) Cho nhận xét - Thực bớc kể cho việc điều khiển vị trí quay trục với góc 160 Khảo sát trình điều khiển PID mạch điện tử 2.1 Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động 87 Bộ thực nghiệm nghiên cứu luật điều khiển PID đợc lắp sẵn mô-đun thực nghiệm PID-Electronic Circuit Control Sơ đồ nguyên lý mạch cho hình 13 Trong đó: - Mạch so sánh đặt (Vref) với phản hồi từ đối tợng Vsens đợc điều khiển gồm khuếch đại thuật toán (KĐTT) U1A U1B - Mạch PID bao gồm KĐTT thực chức P, I D U2A, U2B U3A KĐTT U3B có chức tổng - KĐTT U5A U5B đối tợng vật lý Đặc tính tần số tơng đơng với lọc tần thấp bậc bậc - KĐTT U4A đệm giao tiếp mạch với cấu chấp hành 2.2 Thực nghiệm: Thiết bÞ thùc nghiƯm: - Bé thùc nghiƯm “PID-Electronic Circuit Control” - Máy phát sóng chức FC-36, Máy sóng kênh Nhiệm vụ: đo đặc khảo sát đáp ứng tần số mạch thực nghiệm, từ điều chỉnh tìm hệ số điều khiển mong muốn 2.2.1 Khảo sát mạch hệ thống vật lý: Đặt vị trí công tắc theo nh bảng sau: Công tắc S1 S2 S3 S4 Trạng thái OFF OFF OFF L Công tắc S5 S6 S7 S8 Trạng thái R L R L R Dùng tín hiệu hình sin với tần số biến đổi từ gần chiều DC đến MHz để đo đáp tun tÇn sè cđa hƯ vËt lý víi mét bé läc (S6 = R) vµ hai bé läc (S6 = L) với số thời gian khác (điều chỉnh biến trở 88 R18 R20) Lối máy phát (OUTPUT/50 ) kênh máy sóng nối với lối vào EXTERNAL, kênh máy hiƯn sãng nèi víi lèi Vsens 89 PID R7 D U 02A R6 D U 01B R1 10K TL082 10K C1 TL082 R9 U 02B S2 10K 1K C 5 TL082 R12 100K R3 R14 R17 10K TL082 10K D U 03B 10nF R4 Actuator R16 10K 100K R2 1M R8 10K R14 R10 4 TL082 U 01A 100K S1 10K Vref U 04 A R13 100 C 1K C3 TL082 R15 10pF S7 10K R L C2 R11 1nF S8 U 03A S3 330 S4 L R L R Vsens TL082 B S6 L B R Physical system R20 External S5 R L U 05B U 05A R21 1K TL082 1M A C5 10nF 100K R19 1K TL082 R18 100K 1M C4 10nF Title Size A Number Revision A4 90 Date: File: Hình 13 Sơ đồ mạch điện tư ®iỊu khiĨn PID 29-Nov-2002 C:\Documenti\trinhcd\pids\Pids.Ddb Sheet of Drawn By: 2.2.2 Khảo sát điều khiển tỷ lệ Đặt vị trí công tắc theo nh bảng sau: Công tắc S1 S2 S3 S4 Trạng thái ON OFF OFF L Công tắc S5 S6 S7 S8 Trạng thái L L R R R Dùng tín hiệu hình vuông có tần số 500 Hz, biên độ 100 mV, nối với lối vào Vref Dùng kênh máy sóng để quan sát dạng tín hiệu Vref lối Vsens Điều chỉnh hệ số khuếch đại U2A biến trở R7 (K P) có đáp ứng tốt lối (quan sát sờn lên xung) Dùng giá trị linh kiện sơ đồ giá trị R7, xác định giá trị K P (chính hệ số khuếch đại mạch KĐTT) Thay đổi tần số tín hiệu, giải thích điều quan sát đợc 2.2.3 Khảo sát điều khiển tích phân Đặt vị trí công tắc theo nh bảng sau: Công tắc S1 S2 S3 S4 Trạng thái OFF ON OFF L Công tắc S5 S6 S7 S8 Trạng thái L L R R R Mắc máy phát máy sóng nh trờng hợp Điều chỉnh R8 (quyết định số thời gian tích phân) phù hợp Vref Vsens Lặp lại thực nghiệm với đáp ứng tần sè hƯ vËt lý kh¸c (h»ng sè thêi gian mạch lọc khác với giá trị R18 R20 khác nhau), khảo sát sù phơ thc cđa I vµo 1 vµ 2 2.2.4 Khảo sát điều khiển tỷ lệ - tích phân Đặt vị trí công tắc theo nh bảng sau: Công tắc S1 S2 S3 S4 Trạng thái ON ON OFF L Công tắc S5 S6 S7 S8 Trạng thái L L R R R Mắc máy phát máy sóng nh trờng hợp Điều chỉnh hệ số khuếch đại (K7) số thời gian I (R8) để xác định hệ số tỷ lệ KP KI = 1/I cho trờng hợp tối u Thay đổi tần số tín hiệu, giải thích điều quan sát đợc 2.2.5 Khảo sát điều khiển PID Đặt vị trí công tắc theo nh bảng sau: Công tắc S1 Trạng thái ON Công tắc S5 Trạng thái L 91 ... luật PID A Cơ sở lý thuyết Hệ điều khiển tự động Các khâu điều khiển động học điển hình Điều khiển PID B Phần thực nghiệm Thực hành mô điều khiển môtơ DC theo luật PID Khảo sát trình điều khiển PID. .. khiển PID qua hƯ thèng sè ghÐp nèi tÝnh C Tµi liƯu tham khảo 68 máy Bài thực tập chuyên đề Điều khiển tự động động DC theo luật PID Mục đích: Tìm hiểu nguyên tắc điều khiển tự động theo luật PID. .. điều khiển PID theo cấu hình đơn giản phổ biến điều khiển bù trừ nối tiếp đợc trình bày hình 8, điều khiển PID (cơ cấu hình chấm chấm) đợc đặt nối tiếp với đối tợng cần điều khiển O WPID KP R(s)