Bộ điều khiển PID tuning cho điều khiển bình phả ứng

Bình phản ứng là một ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, và để điều khiển bình phản ứng có rất nhiều phương pháp, một trong số đó là điều khiển PID. Đây là bài tập của mình về thiết kế bộ điều khiển PID cho bình phản ứng, bạn nào có nhu cầu thì xem thêm nhé

PID Tuner trong Simulink

PID Tuner cung cấp một phương pháp nhanh chóng và áp dụng rộng rãi trong các bộ điều khiển PID cho hệ thống một vòng kín.Với phương pháp này ta

có thể dễ dàng thiết lập các thông số của bộ điều khiển PID để điều khiển đối tượng nhằm đưa ra được đáp ứng mong muốn

Công việc thiết kế bộ điều khiển với công cụ PID Tuner bao gồm các bước sau:

- Mở chương trình PID Tuner Phần mềm tự động tính toán một mô hình tuyến tính từ mô hình Simulink và thiết kế một bộ điều khiển ban đầu

- Điều chỉnh bộ điều khiển trong PID Tuner bằng cách điều chỉnh bằng tay các thông số trong hai chế độ thiết kế là thời gian đáp ứng (response) và chất lượng tạm thời (transient behavior).Từ đó chương trình tính toán các thông số của bộ điều khiển PID để làm hệ thống ổn định và đạt chất lượng mong muốn

- Đưa ra các thông số của bộ điều khiển và thiết kế lại khối PID, sau đó kiểm tra hiệu quả của nó trong Simulink

Ta sẽ áp dụng các bước trên vào một đối tượng cụ thể để thấy rõ được công dụng của công cụ PID Tuner này

Lấy trực tiếp đối tượng van khí nén với hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất có trễ:

Mô phỏng cấu trúc hệ thống dùng bộ điều khiển PID điều khiển đối tượng trong Simulink như hình dưới:

Đầu vào của hệ thống là tín hiệu bước nhảy từ 0 lên 1, step time = 1.

Thiết lập thông số bất kỳ cho bộ điều khiển PID, chẳng hạn Kp=20, Ki=0.4, Kd=0 Đáp ứng đầu ra của hệ thống sẽ là:

Để chạy công cụ PID Tuner, ta kích đúp vào khối PID để mở hộp thoại của khối ra

Hộp thoại PID Tuner mở ra Các phần mềm tự động nhận dạng đầu vào và đầu ra của hệ thống, xây dựng nên một mô hình tuyến tính cho hệ thống Các tính toán của PID Tuner sẽ giúp tính ra các thông số của một bộ điều khiển ban đầu để đạt được sự cân bằng hợp lý giữa hiệu suất và độ bền

Sau đó đưa ra được đồ thị của đáp ứng:

- Đường màu đỏ là đồ thị đáp ứng đầu ra ứng với bộ số hiện có trong khối PID

- Đường màu xanh là đồ thị đáp ứng đầu ra ứng với bộ số mà PID Tuner tính toán và lựa chọn tạm thời

Click vào Show paramenters để xem các thông số của bộ điều khiển PID

và các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống

Ta có thể xem được thời gian xác lập, độ quá điều chỉnh, đỉnh, …của đáp ứng đầu ra với bộ thông số Kp, Ki, Kd trong bảng phía trên

Điều chỉnh các thông số bộ điều khiển bằng cách di chuyển thanh trượt thời gian đáp ứng của vòng kín đồng thời quan sát đồ thị đáp ứng đầu ra và bảng thống số để điều chỉnh chất lượng cho hệ thống Khi đáp ứng đạt yêu cầu

ta sẽ có được bộ điều khiển PID gần chính xác nhất

Ví dụ như đáp ứng sau là đạt yêu cầu:

Ta thu được các thông số cho bộ điều khiển PID như sau:

Cuối cùng thử nghiệm bộ điều khiển trên mô hình phi tuyến trong mô phỏng Simulink bằng cách nhấn Update Block trong PID Tuner, các thông số sẽ được cài đặt cho khối PID trong Simulink

Chạy mô phỏng và kiểm tra lại đáp ứng đầu ra có đạt được yêu cầu mong muốn: