Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNN I - H Nội - 82 - u(t) = T D dt tde )( (3 - 7) Trong đó T D là hằng số thời gian vi phân. Luật điều khiển vi phân có tác dụng làm giảm thời gian quá độ của hệ. Do đó ngời ta gọi đây là luật điều khiển vợt trớc. Quyết định điều khiển đợc đa ra trên cơ sở đạo hàm của sai lệch. Nhợc điểm của luật này là ở phơng pháp lấy thông tin này vì nếu đối tợng chịu ảnh hởng của nhiễu biến thiên thì luật sẽ ra quyết định theo nhiễu do đó luật điều khiển với các đối tợng có nhiễu là hằng số hoặc ít bị nhiễu. 4. Luật điều khiển PID Đây là bộ điều khiển tích hợp của ba luật điều khiển trên vì thế nó sẽ tích luỹ đợc tất cả điểm mạnh của các luật trên và khắc phục những hạn chế của từng luật cụ thể. Thành phần khuyếch đại (P) có tốc xử lý tín hiệu nhanh, có độ ổn định cao, thời gian điều khiển ngắn. Nhng hạn chế của quy luật này là khi hệ thống ở trạng thái xác lập luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Thành phần tích phân (I) có u điểm là triệt tiêu đợc sai lệch tĩnh nhng tốc độ xử lý tín hiệu còn chậm. Thành phần vi phân (D) có tác dụng làm tăng nhanh tốc độ tác động của tín hiệu điều khiển nhng bên cạnh đó luật điều khiển này có độ quá điều chỉnh lớn. Sơ đồ cấu trúc của luật điều khiển: . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNN I - H Nội - 83 - Hình 3 - 22: Hệ kín với luật điều khiển PID. Luật điều khiển PID đã đa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lợng: Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ, tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn( Vai trò khuyếch đại). Nếu sai lệch e(t) cha bằng 0 thì thông qua thành phần tích phân, bộ điều khiển PID vẫn còn tín hiệu điều chỉnh(vai trò của bộ tích phân). Nếu có sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân phản ứng thích hợp của tín hiệu điều chỉnh u(t) sẽ càng nhanh(vai trò của vi phân). Luật điều khiển PID đợc biểu diễn bằng phơng trình sau: U(t)= k P [ e(t) + t I de T 0 )( 1 T D .e(t)] (3 - 8) Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra k P đợc gọi là hệ số khuếch đại, T I là hằng số thời gian tích phân và T D là hằng số thời gian vi phân. Chất lợng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số k P , T I , T D . Muốn hệ thống làm việc ổn định thì ta phải chọn các bộ tham số trên sao cho phù hợp. Hàm truyền của luật điều khiển PID đợc biểu diễn dới dạng cộng có dạng nh sau: W PID + (s) = k P [1+ sT I . 1 +T D .s] (3 - 9) Hoặc dới dạng nhân nh sau: W PID (s) = sT sTsTk I DIP . ).1)(.1( * *** ++ (3 - 10) Trong đó: k P = I DIP T TTk * *** )1)(1( ++ (3 - 11) T I = T I * + T D * (3- 12) T D = ** ** . D I DI TT TT + (3 - 13) . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNN I - H Nội - 84 - 5. Thiết kế luật điều khiển PID số. Yêu cầu của thiết kế đợc dặt ra là bộ PID số phải có tính linh hoạt cao, có giao diện thân thiện, ngời sử dụng có thể dễ dàng lựa chọn ra bộ PID phù hợp với đối tợng điều khiển của mình, thời gian xử lý nhanh để làm tăng tính thời gian thực cho thiết bị điều khiển. a). Luật điều khiển tỷ lệ số Đây là luật điều khiển đơn giản trong đó dãy u(k) đợc tính từ dãy e(k) theo công thức: u(k) = k P e(k) k = 0, 1, 2, (3 - 14) b). Luật điều khiển tích phân số Từ công thức số 3 ta có phơng trình sai phân: u(k) = I T T e(k) + u(k-1) (3 - 15) Trong đó T là thời gian trích mẫu (Sample Time) c.) Luật điều khiển vi phân số K p e(t) u(k) H ình 3 23 Cấu trúc luật P số u ( k-1 ) e(k) T / Ti H ình 3 24 Cấu trúc luật I số + + D u(k) e(k) e (k -1 ) u(k) T D /T H ình 3 25 Cấu trúc luật D số + - D . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNN I - H Nội - 85 - Thờng các bộ điều khiển theo luật vi phân số đợc cài đặt theo các phơng trình sai phân sau: u(k) = D T T [e(k) + u(k-1)] (3 - 16) d). Luật điều khiển PID số Từ cấu trúc PID số trên ta có: { [] } () () ( 1) () ( 1) D pI T uk k ek u k ek ek T =++ (3 - 17) { } () (1 )() ( 1) () ( 1) DD pI I TT T uk k ek ek ek u k TT T =+ ++ (3 - 18) { } () (1 )() ( 1) ( 1) DD pI I TTT uk k ek ek u k TT T =++ + (3 - 19) Luật điều khiển PID số trong công thức trên đợc lựa chọn để cài đặt cho bộ điều khiển của chip trên công nghệ PsoC. 6. Cách xác định thông số của bộ PID a). Phơng pháp Ziegler Nichol(cho PID) Kp = 1.2 1 2 T T (3 - 20) Ti = 2T1 (3 - 21) Td = 0.5T2 (3 - 22) . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNN I - H Nội - 86 - Với T1 và T2 đợc xác định từ hàm truyền hở của động cơ. Hình 3 - 27 : Đặc tính tốc độ hàm truyền hở của động cơ b). Phơng pháp Jassen và Offerein Thực nghiệm đợc tiến hành theo các bớc sau: * Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định - Điều khiển đối tợng theo luật P (T ặ 0 và Ti ặ ) - Xác định hệ số k pth * Cho hệ thống làm việc với luật PI - Cho hệ làm việc với luật PI và với hệ số k p = 0,45 k pth , Ti tuỳ chọn. - Giảm hàm số thời gian tích phânTi cho đến khi hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Xác định hằng số Ti ở chế độ này Ti = T ith . * Chọn luật điều khiển PID - Cho hệ thống làm việc theo luật PID với k p = k pth - ( đủ nhỏ), Td và Ti tuỳ chọn. - Tăng hằng số thời gian vi phân cho đến khi hệ thống đạt đợc quá điều chỉnh cực đại lớn nhất max = max. Xác định Td max. Chọn TD = 3 1 TDMAX và Ti = 4,5TD. . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNN I - H Nội - 87 - - Giảm k p cho đến khi hệ thống đạt đợc đặc tính động học mong muốn. 3.5.2. Tổng hợp hệ thống điều khiển 1. Để tổng hợp hệ thống điều khiển trớc tiên ta phải nắm đợc mô hình toán học của hệ thống điều khiển bằng cách mô hình hoá đối tợng đó lên. Trong thực tế có hai phơng pháp mô hình hoá: - Phơng pháp lý thuyết. - Phơng pháp thực nghiệm. Phơng pháp lý thuyết là phơng pháp thiết lập mô hình dựa trên các định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với hệ thống bên ngoài của đối tợng. Các mối quan hệ này đợc biểu diễn bằng các phơng trình toán hoc. Trong trờng hợp các thông số của đối tợng không đủ đảm bảo cho chúng ta tiến hành tổng hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh thì chúng ta phải áp dụng phơng pháp thực nghiệm bằng cách tiến hành thử hệ thống với một loạt các tín hiệu đầu vào và ghi nhận các thông số đầu ra sao cho kết quả thử nghiệm phải phù hợp với yêu cầu của phơng pháp lý thuyết đề ra. Trong điều kiện của đề tài chúng tôi tiến hành tổng hợp hệ thống bằng phơng pháp thực nghiệm với tín hiệu đầu vào x(t) là nhiệt độ không khí còn tín hiệu đầu ra là thời gian vận hành máy bơm. Qua đó ta tiến hành làm mạch và cho chạy thử với các bộ thông số PID từ đó chọn ra bộ PID phù hợp với đối tợng điều khiển. 3.6 Kết luận chơng III Thông qua chơng III đã lựa chọn và giới thiệu chơng trình điều khiển chip trên công nghệ PsoC và so sánh hiệu quả, tính tiện dụng và kinh tế khi sử dụng chip trên công nghệ PsoC với các loại chip thông thờng và các phơng pháp điều khiển khác.Tiến hành lựa chọn thuật điều khiển hệ thống sao cho hợp lý và hiệu quả phù hợp với từng đối tợng điều khiển. . §å ¸n tèt nghiÖp NguyÔn Th¸i Häc - Líp T§H 46 Khoa C¬ §iÖn Tr−êng §HNN I - Hμ Néi - 88 - Ch−¬ng 4 ThiÕt kÕ vµ thi c«ng bé ®iÒu khiÓn hÖ thèng t-íi phun m-a trªn c«ng nghÖ PSoC 4.1. S¬ ®å khèi cña bé ®iÒu khiÓn . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thái Học - Lớp TĐH 46 Khoa Cơ Điện Trờng ĐHNN I - H Nội - 89 - 4.2. Phân công tín hiệu điều khiển Stt Chức năng Chân chip Ký hiệu Tín hiệu đầu vào 1 Cảm biến nhiệt độ Ta P0.7 CBN 2 Cảm biến áp suất P P0.6 CBS 3 Ap suất đặt ASD 4 Cảm biến bức xạ Qs P0.3 CBB 5 Nút ấn SET P1.6 SET 6 Nút ấn CANCEL P1.4 CANCEL 7 Nút ấn DOWN P1.3 DOWN 8 Nút ấn UP P1.2 UP Tín hiệu đầu ra 1 Van làm việc (Rơ le cho động cơ bớc) P0.1 VLV 2 Van thoát hiểm (Rơ le) P0.2 VTH 3 Động cơ bơm (Rơ le) P0.4 DCB 4 Đèn báo HT làm việc bình thờng (Led) P0.0 D0 5 Đèn báo HT ống bị tắc (Led) P1.5 DT 6 Đèn báo HT ống bị vỡ (Led) P1.7 DV 4.3. Thuật toán điều khiển Ta có sơ đồ thuật toán nh sau: . §å ¸n tèt nghiÖp NguyÔn Th¸i Häc - Líp T§H 46 Khoa C¬ §iÖn Tr−êng §HNN I - Hμ Néi - 90 - . §å ¸n tèt nghiÖp NguyÔn Th¸i Häc - Líp T§H 46 Khoa C¬ §iÖn Tr−êng §HNN I - Hμ Néi - 91 - H×nh 4 – 4 : S¬ ®å thuËt to¸n ®iÒu khiÓn ng¾t. . . qua thành phần tích phân, bộ điều khiển PID vẫn còn tín hiệu điều chỉnh(vai trò của bộ tích phân) . Nếu có sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân phản ứng. trạng thái xác lập luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Thành phần tích phân (I) có u điểm là triệt tiêu đợc sai lệch tĩnh nhng tốc độ xử lý tín hiệu còn chậm. Thành phần vi phân (D) có tác dụng làm tăng. khiển tích phân số Từ công thức số 3 ta có phơng trình sai phân: u(k) = I T T e(k) + u(k-1) (3 - 15) Trong đó T là thời gian trích mẫu (Sample Time) c.) Luật điều khiển vi phân