Tiêu chí chỉnh định
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ áp dụng một quy trình chỉnh định thống nhất để so sánh các bộ điều khiển Một tập hợp các yêu cầu ổn định sẽ được thiết lập nhằm kiểm tra tính phù hợp của các bộ điều khiển với đối tượng của hệ thống.
Trong thực tế, không phải lúc nào cũng có hệ thống đo lường cho phép xuất biểu đồ Bode Do đó, các phương pháp chỉnh định thường dựa vào việc đo lường trong miền thời gian để xác định tính ổn định của hệ thống.
Trong quá trình chỉnh định hệ thống, tín hiệu xung vuông được sử dụng để xác định tính ổn định biên của hệ thống Việc thử nghiệm với tín hiệu nhẹ hơn có thể dẫn đến việc ổn định biên không được phát hiện, do đó, việc sử dụng tín hiệu mạnh là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong đánh giá.
Tiêu chí chỉnh định với đáp ứng tín hiệu xung vuông:
• Tại vùng tần số cao, khi chỉnh định khâu P và D thì đáp ứng phải có độ quá điều chỉnh rất thấp ( 0.9 (Đáp ứng nhanh)
Bước 6: Tăng Ki sao cho đạt được 10% POT
Kết thúc quy trình chỉnh định
Kết quả mô phỏng
Sau khi thực hiện chỉnh định, các thông số thu được là Kp = 0.17, Ki = 0.258, Kd = 0.0025, và lựa chọn Kfr = 0.6 cho ứng dụng chung, chúng tôi đã đạt được kết quả mô phỏng như sau.
Hình 7.24 Đồ thị Bode vòng hở
Bài viết này sẽ giúp bạn tìm hiểu về 6 bộ điều khiển PID, một công cụ quan trọng trong tự động hóa và điều khiển quá trình Các bộ điều khiển PID giúp duy trì các tham số cần thiết trong hệ thống, cải thiện hiệu suất và độ ổn định Việc nắm vững nguyên lý hoạt động của từng bộ điều khiển PID sẽ mang lại lợi ích lớn cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này Hãy cùng khám phá chi tiết về các bộ điều khiển PID và ứng dụng của chúng trong thực tiễn.
Hình 7.25 Đồ thị Bode vòng kín
Từ đồ thị bode vòng kín ta có thể tính ra được bandwidth của hệ thống là 0.375 (Hz), thấp hơn so với khi sử dụng bộ PID là 0.433 (Hz).
Hình 7.26 Đồ thị tín hiệu đầu vào và ra
Hình 7.27 Đồ thị tín hiệu đầu ra phóng to
Kết quả mô phỏng cho thấy tín hiệu đầu ra ổn định, với độ dao động không đáng kể Độ vọt lố của POT khoảng 15% và thời gian xác lập đạt 7.3 giây.
So sánh với bộ PID
Để so sánh hiệu suất của hai bộ điều khiển, chúng ta sử dụng một tín hiệu setpoint làm đầu vào cho cả hai bộ và hiển thị tín hiệu đầu ra trên cùng một đồ thị.
Hình 7.28: Đồ thị so sánh tín hiệu ra của 2 bộ điều khiển
Hình 7.29: Đồ thị so sánh được phóng to
Kết quả cho thấy Ki đã được cải thiện từ 0.2175 lên 0.258, đồng thời giữ POT ở mức 15% Tuy nhiên, thời gian xác lập của bộ PID+ là 7.3 giây, lâu hơn so với bộ PID là 6.5 giây Bên cạnh đó, tần số bandwidth của bộ PID+ là 0.375 Hz, thấp hơn so với 0.433 Hz của bộ PID.
Nhận xét
Ưu điểm: Tốc độ đáp ứng nhanh (chậm hơn PID), đáp ứng được hầu hết yêu cầu của các chu trình công nghệ.
Nhược điểm: Cấu trúc phức tạp, điều chỉnh tham số rất phức tạp vì có 3 thành phần P, I, D. Điều kiện áp dụng:
Hệ thống yêu cầu độ chính xác cao.
Bài viết này giúp bạn hiểu rõ về 6 bộ điều khiển PID, một công nghệ quan trọng trong tự động hóa và điều khiển quy trình Các bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến nghiên cứu khoa học, nhờ vào khả năng duy trì ổn định và chính xác trong các hệ thống điều khiển Việc nắm vững nguyên lý hoạt động và ứng dụng của từng bộ điều khiển PID sẽ giúp cải thiện hiệu suất và hiệu quả trong các quy trình sản xuất Hãy cùng khám phá chi tiết về các bộ điều khiển này để áp dụng vào thực tiễn một cách hiệu quả nhất.
BỘ BÙ LEAD – LAG
Bộ bù sớm pha
Dựa vào biểu đồ Bode của khâu sớm pha chúng ta thấy đặc tính pha luôn luôn dương (() > 0,
), do đó tín hiệu ra luôn luôn sớm pha hơn tín hiệu vào.
Khâu hiệu chỉnh sớm pha là bộ lọc thông cao, giúp mở rộng băng thông của hệ thống và cải thiện đáp ứng quá độ, làm cho hệ thống phản hồi nhanh hơn Tuy nhiên, việc mở rộng băng thông cũng khiến khâu hiệu chỉnh sớm pha trở nên nhạy cảm với nhiễu tần số cao.
Bộ bù trễ pha
Biểu đồ Bode của khâu trễ pha cho thấy đặc tính pha luôn âm (ϕ(ω) < 0, ∀ ω), điều này có nghĩa là tín hiệu ra luôn trễ pha so với tín hiệu vào.
Khâu hiệu chỉnh sớm pha là bộ lọc thông thấp, giúp thu hẹp băng thông của hệ thống và giảm hệ số khuếch đại đối với tín hiệu ở tần số cao, dẫn đến việc đáp ứng trễ pha không cải thiện được đáp ứng quá độ Tuy nhiên, việc giảm hệ số khuếch đại ở miền tần số cao cũng có tác dụng lọc nhiễu, ảnh hưởng đến hệ thống Với hệ số khuếch đại ở miền tần số thấp lớn hơn, khâu hiệu chỉnh trễ pha góp phần giảm sai số xác lập của hệ thống.
Bộ bù sớm trễ pha
Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ về 6 bộ điều khiển PID, bao gồm nguyên lý hoạt động, ứng dụng và lợi ích của chúng trong các hệ thống điều khiển tự động Các bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để duy trì các thông số kỹ thuật ổn định, từ nhiệt độ đến áp suất Thông qua việc điều chỉnh liên tục, chúng giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của hệ thống Việc nắm vững kiến thức về các bộ điều khiển này là rất quan trọng cho những ai làm việc trong lĩnh vực tự động hóa và kỹ thuật.
Trễ pha ở vùng tần số thấp và sớm pha ở vùng tần số cao
Hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao lớn giúp cải thiện đáp ứng quá độ
Hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp lớn giúp giảm sai số xác lập
Kết hợp ưu điểm của cả bộ Lead và Lag
LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN
Lựa chọn bộ điều khiển
Hình 9.30 Đáp ứng đầu ra của 6 bộ điều khiển
Hình 9.31 Độ quá điều chỉnh của các bộ điều khiển PI, PI+, PID, PID+
Bài viết này sẽ giúp bạn tìm hiểu về 6 bộ điều khiển PID, một công nghệ quan trọng trong tự động hóa và điều khiển quy trình Các bộ điều khiển PID giúp duy trì các tham số hệ thống ổn định, cải thiện hiệu suất và độ chính xác Hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của từng bộ điều khiển sẽ mang lại lợi ích lớn cho các kỹ sư và nhà quản lý trong ngành công nghiệp Hãy cùng khám phá chi tiết về các bộ điều khiển PID để nâng cao kiến thức và kỹ năng của bạn trong lĩnh vực này.
Các bộ điều khiển PI, PI+, PID và PID+ cho thấy hiệu suất tốt trong việc đáp ứng điều kiện, với PI và PID mang lại thời gian đáp ứng nhanh hơn Đặc biệt, PI+ và PID+ cải thiện độ vọt lố nhờ khả năng tăng thành phần tích phân mà không gây ra hiện tượng bão hòa Mỗi loại bộ điều khiển đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, trong đó bộ P đơn giản nhưng hiệu quả cho nhiều ứng dụng.
Tôi đã cải thiện độ cứng DC Stiffness, tức là khả năng bám giá trị đặt, nhưng lại giảm độ dự trữ pha PM Bộ lọc lệnh đặt trong PI+ và PID+ cho phép đạt được độ cứng DC Stiffness cao hơn, tuy nhiên, điều này lại dẫn đến giảm băng thông Thành phần D cung cấp khả năng đáp ứng cao hơn nhưng cũng làm giảm độ dự trữ biên GM và tạo ra dịch pha, điều này trở thành nhược điểm nếu vòng điều khiển được bao bởi một vòng điều khiển khác.
Dựa vào ưu nhược điểm của các thành phần P – I – D và 6 bộ điều khiển cụ thể, chúng ta có thể chọn bộ điều khiển phù hợp cho ứng dụng của mình.
Kết luận
Báo cáo này phân tích các thành phần P, I, D và ứng dụng của chúng trong việc tạo ra các biến thể bộ điều khiển PID, đồng thời nêu rõ ưu, nhược điểm và phương pháp chỉnh định tối ưu cho từng biến thể Phương pháp chỉnh định được trình bày là phương pháp mò, dựa trên kiến thức về tính chất của các tham số trong bộ điều khiển, yêu cầu nhiều thử nghiệm và tinh chỉnh Mặc dù cần người chỉnh định có kiến thức tốt, phương pháp này giúp xác định bộ tham số tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể với các tiêu chuẩn rõ ràng.
Hình 9.33 Cách chọn bộ điều khiển - Figure 6-32 - “Control system design guide 3rd edition”.p-125.
Để tối ưu hóa mô hình ứng dụng, trước tiên cần xem xét mức độ nhiễu; nếu nhiễu quá lớn, nên loại bỏ thành phần D Nếu hệ thống không yêu cầu độ chính xác cao, bộ P là đủ Ngược lại, nếu cần độ chính xác cao, thành phần I là cần thiết, nhưng sẽ dẫn đến độ quá điều chỉnh lớn hơn Để khắc phục nhược điểm này, có thể áp dụng bộ PI+ để đạt độ chính xác cao hơn và giảm độ quá điều chỉnh, mặc dù thời gian đáp ứng sẽ chậm hơn Khi nhiễu trong mức chấp nhận, thành phần D có thể được sử dụng để cải thiện khả năng đáp ứng và giảm độ quá điều chỉnh, với các yêu cầu về độ chính xác và độ quá điều chỉnh tương tự như đã nêu.
Trong báo cáo này nhóm chỉ tập trung vào các bộ điều khiển số, vì hiện nay gần như các ứng dụng đều sử dụng bộ điều khiển số.
Khi chọn bộ điều khiển cho hệ thống tích phân quán tính bậc nhất có trễ, Bộ điều khiển PID là lựa chọn tối ưu Bộ điều khiển này mang lại khả năng điều chỉnh chính xác và ổn định cho hệ thống, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình vận hành.
Tần số băng thông cao nhất đề cập đến phạm vi tần số của tín hiệu mà hệ thống có thể xử lý với hệ số khuếch đại tối thiểu là 0.707 của giá trị tín hiệu đầu vào Băng thông này tương đương với lượng dữ liệu được truyền tải trong một khoảng thời gian nhất định.
Băng thông càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh Đối với đối tượng tích phân quán tính bậc nhất có độ trễ, sau khi mô phỏng, ta thu được bảng kết quả với các thông số Kp, Ki, Kd và băng thông của 6 bộ điều khiển.
Bảng 2 Bảng tổng hợp kết quả các bộ điều khiển
Bộ điều khiển Kp Ki Kd Bandwidth
• Bộ điều khiển P phù hợp với khá nhiều ứng dụng không có trễ hay nhiều nhiễu.
• Phần tử I giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh tuy nhiên lại làm giảm PM
• Bộ lọc đầu vào của PI+ và PID+ giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh còn tốt hơn bộ PI và PID tuy nhiên lại làm giảm bandwidth.
• Phần tử D giúp tăng đáp ứng của hệ thống nhưng làm giảm GM và tăng độ trễ pha cũng như rất nhạy với nhiễu.