Chương 8 thiết kế hệ thống điều khiển

ME3081: Mechatronic System Design Lecturer: PhD Dang Thai Viet Mechatronics Department, School of Mechanical Engineering, HUST Viet.dangthai@hust.edu.vn Chương Thiết kế hệ thống điều khiển ME3081: Mechatronic System Design Mục Khái niệm phân loại thiết bị điều khiển Mục Phân loại thiết bị điều khiển Mục Hàm điều khiển 8.1 Khái niệm (1) Hình 8.1 Quan hệ phần tử hệ thống điều khiển hệ Cơ điện tử • Ngồi phần tử gồm điều khiển, hệ thống đo cấu chấp hành, hệ thống điều khiển cịn cần có thành phần hỗ trợ để đảm bảo trình làm việc hệ thống 8.1 Khái niệm (2) Hình 8.2 Mơ hình hệ thống điện tử • Cảm biến (HT đo): Thực trình đo giá trị thực đầu hệ thống • Bộ điều khiển: Phần cứng phần mềm thực q trình tính tốn, điều khiển, thiết lập quan hệ vào hệ thống • Đối tượng: Cơ cấu chấp hành, thực lệnh điều khiển tạo nên đáp ứng đầu hệ thống 8.1 Khái niệm (3) ❑ Xe dò line Hình 8.3 Thành phần xe tự hành dò line 8.1 Khái niệm (4) ❑ Bàn tay robot Hình 8.4 Hệ thống dùng sóng não điều khiển 8.2 Thiết bị điều khiển (1) ❑ Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller - PLC) • Ứng dụng điều khiển chu trình cơng nghiệp • Có mơ đun A/D, D/A, cho phép ghép nối mở rộng • Lập trình đơn giản dạng Ladder, function blocks, lệnh Hình 8.5 Bộ điều khiển PLC 8.2 Thiết bị điều khiển (2) ❑ Vi điều khiển (Micro Controller) • Computer chip • Mạch tích hợp vi xử lý, cổng vào I/O, chuyển đổi A/D… • Dùng nhiều sản phẩm điện tử gia dụng mạch điều khiển Hình 8.6 Bộ vi điều khiển 8.2 Thiết bị điều khiển (3) ❑ Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing -DSP) • Vi điều khiển làm việc với liệu dạng số • Cho phép tính tốn phức tạp với khả lập trình chun sâu • Dùng hệ thống đại, thông minh ứng dụng công nghệ cao Hình 8.7 Bộ xử lý liệu số 10 8.2 Thiết bị điều khiển (4) ❑ Máy tính • Máy tính cá nhân, máy trạm, máy chun dụng xử lý liệu lớn, máy tính nhúng tùy theo u cầu kỳ thuật tính tốn đặt • Với phát triển khoa học công nghệ vật liệu máy tính nhúng chip hệ đời, phục vụ cho khả tính tốn xử lý cao Hình 8.8 Hệ thống thơng minh đô thị 11 8.3 Hàm điều khiển (1) ❑ Điều khiển ON/OFF: • Điều khiển có trạng thái đối lập tắt, bật tương ứng mức logic 1, thường sử dụng việc khởi động dừng thiết bị/hệ thống làm việc Cần có bảo vệ q trình mở máy/dừng máy • Giá trị thực dao động giá trị vượt lố nhiều so với giá trị đặt hệ thống bật tắt Cần kèm thiết bị bảo vệ Hình 8.9 Đồ thị trình khởi động 12 8.3 Hàm điều khiển ❑ Điều khiển P, I, D: R(s) (2) C(s) E(s) Gc(s) ▪ Điều khiển tỷ lệ P: G(s) • Tín hiệu điều khiển khuếch đại hệ số : 𝐾𝑃 • Tín hiệu điều khiển Gc(s): • Trong miền thời gian: • Biến đổi Laplace: 𝑢 𝑡 = 𝐾𝑃 𝑒 𝑡 𝑈 𝑠 𝐺𝑐 𝑠 = = 𝐾𝑃 𝐸 𝑠 𝑈 𝑠 = 𝐾𝑃 𝐸 𝑠 𝐺𝑇 𝑠 = • Hàm truyền hệ thống: • Sai lệch tĩnh tín hiệu thang: 𝐾𝑃 𝐺 𝑠 + 𝐾𝑃 𝐺 𝑠 𝑠 𝑋(𝑠) = lim 𝑠→0 + 𝐾𝑃 𝐺(𝑠) 𝑠→0 + 𝐾𝑃 𝐺(𝑠) 𝑒𝑠𝑠 = lim 13 8.3 Hàm điều khiển (3) ▪ Khâu tỷ lệ P: Hình 8.10 Đồ thị đặc tính làm việc hệ thống theo thời gian với giá trị KP KI=KD=1 • Hệ số khâu tỉ lệ lớn thay đổi lớn đầu mà sai số thay đổi nhỏ Nếu hệ số khâu tỉ lệ cao, hệ thống không ổn định • Ngược lại, hệ số nhỏ đáp ứng đầu nhỏ sai số đầu vào lớn, làm cho điều khiển nhạy, đáp ứng chậm 14 8.3 Hàm điều khiển ▪ Điều khiển tích phân I: (4) X(s) Y(s) E(s) Gc(s) G(s) • Tín hiệu điều khiển Gc(s): • Trong miền thời gian: • Biến đổi Laplace: 𝑢 𝑡 = 𝐾𝐼 න 𝑒 𝑡 𝑑𝑡 𝐾𝐼 𝑈 𝑠 = 𝐸 𝑠 𝑠 𝐺𝑇 𝑠 = • Hàm truyền hệ thống: • Sai lệch tĩnh tín hiệu thang: 𝑈 𝑠 𝐾𝐼 𝐺𝑐 𝑠 = = 𝐸 𝑠 𝑠 𝑒𝑠𝑠 𝐾𝐼 𝐺 𝑠 𝑠 + 𝐾𝐼 𝐺 𝑠 𝑠 𝑋(𝑠) 1 = lim = lim = 𝑠→0 𝑠 + 𝐾𝐼 𝐺(𝑠) 𝑠→0 𝑠 + 𝐾𝐼 𝐺(𝑠) 𝐾𝐼 𝐺(𝑠) 15 8.3 Hàm điều khiển (5) ▪ Khâu tích phân I: Hình 8.11 Đồ thị đặc tính làm việc hệ thống theo thời gian với giá trị KI KP=KD=1 • Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) tăng tốc chuyển động trình tới điểm đặt khử số dư sai số ổn định với tỉ lệ phụ thuộc vào điều khiển • Tuy nhiên, khâu tích phân đáp ứng sai số tích lũy q khứ, khiến giá trị vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt tạo độ lệch với hướng khác) 16 8.3 Hàm điều khiển ▪ Điều khiển vi phân D: (6) X(s) Y(s) E(s) Gc(s) G(s) • Tín hiệu điều khiển Gc(s): 𝑑𝑒 𝑡 𝑑𝑡 • Trong miền thời gian: 𝑢 𝑡 = 𝐾𝐷 • Biến đổi Laplace: 𝑈 𝑠 = 𝑠𝐾𝐷 𝐸 𝑠 𝑈 𝑠 𝐺𝑐 𝑠 = = 𝑠𝐾𝐷 𝐸 𝑠 𝑠𝐾𝐷 𝐺 𝑠 𝐺𝑇 𝑠 = + 𝑠𝐾𝐷 𝐺 𝑠 • Hàm truyền hệ thống: • Sai lệch tĩnh tín hiệu thang: 𝑠 𝑋(𝑠) = lim =1 𝑠→0 + 𝑠𝐾𝐷 𝐺(𝑠) 𝑠→0 + 𝑠𝐾𝐷 𝐺(𝑠) 𝑒𝑠𝑠 = lim 17 8.3 Hàm điều khiển (7) ▪ Khâu vi phân D: Hình 8.12 Đồ thị đặc tính làm việc hệ thống theo thời gian với giá trị KD KP=KI=1 • Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi đầu điều khiển đặc tính ý để đạt tới điểm đặt điều khiển • Điều khiển vi phân sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố tạo thành phần tích phân tăng cường độ ổn định điều khiển hỗn hợp 18 8.3 Hàm điều khiển (8) ▪ Điều khiển kết hợp PI, PD PID: X(s) Gc(s) 𝐾𝐼 𝑠 • Hàm truyền hệ thống: • Sai lệch tĩnh tín hiệu thang: G(s) 𝑈 𝑠 𝐺𝑐 𝑠 = 𝐸 𝑠 • Hàm truyền điều khiển Gc(s): 𝐺𝑐 𝑠 = 𝐾𝑃 + Y(s) E(s) 𝐺𝑐 𝑠 = 𝐾𝑃 + 𝑠𝐾𝐷 𝐺𝑐 𝑠 = 𝐾𝑃 + 𝐺𝑐 𝑠 𝐺 𝑠 𝐺𝑇 𝑠 = + 𝐺𝑐 𝑠 𝐺 𝑠 𝑒𝑠𝑠 𝐾𝐼 + 𝑠𝐾𝐷 𝑠 = lim 𝑠𝐸 𝑠 = lim 𝑠→0 𝑠→0 + 𝐺𝑐 𝐺 19 8.3 Hàm điều khiển (9) ▪ Điều khiển kết hợp PID: 𝐺𝑐 𝑠 = 𝐾𝑃 + 𝑇𝐷 = 𝐾𝐷 ; 𝐾𝑃 𝑇𝐼 = 𝐾𝐼 𝑠 + 𝑠𝐾𝐷 = 𝐾𝑃 + 𝑇𝐼 𝑠 + 𝑠𝑇𝐷 𝐾𝐼 𝐾𝑃 Hình 8.13 Đồ thị đặc tính làm việc hệ thống theo thời gian PID Điều khiển Thời gian tăng Độ vượt lố max Thời gian bình ổn Sai lệch tĩnh P Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm I Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu D Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ 20 8.3 Hàm điều khiển (10) ▪ Bộ điều khiển PID: Hình 8.14 Cấu trúc điều khiển PID • Độ lợi tỉ lệ KP: giá trị lớn đáp ứng nhanh sai số lớn, bù khâu tỉ lệ lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ lớn dẫn đến q trình ổn định dao động • Độ lợi tích phân KI: giá trị lớn kéo theo sai số ổn định bị khử nhanh Đổi lại độ vọt lố lớn, cần đảm bảo triệt tiêu sai số tích lũy hệ thống ổn định vùng xác lập • Độ lợi vi phân KD: giá trị lớn giảm độ vọt lố, lại làm chậm đáp ứng độ dẫn đến ổn định khuếch đại nhiễu tín hiệu phép vi phân sai số 21 8.3 Hàm điều khiển (11) ▪ Bộ điều khiển PID đại: • Hầu hết ứng dụng cơng nghiệp đại khơng cịn điều chỉnh vịng điều khiển sử dụng phương pháp tính tốn thủ cơng • Thay vào đó, phần mềm điều chỉnh PID tối ưu hóa vòng lặp dùng để đảm bảo kết chắn • Điều chỉnh PID tốn học tạo xung hệ thống, sau sử dụng đáp ứng tần số hệ thống điều khiển để thiết kế giá trị vòng điều khiển PID • Nhiều phát minh nhúng sẵn vào module phần mềm phần cứng để điều chỉnh PID 22 THANK YOU 23