Đang tải... (xem toàn văn)
Labview là phần mềm lập trình đồ họa rất mạnh mẽ trong mô phỏng và điều khiển thiết bị thực. Trong các học viện, nhà trường đào tạo trình độ đại học và sau đại học khối ngành kỹ thuật đang mở rộng hướng nghiên cứu ứng dụng Labview vào hệ thống giảng dạy và áp dụng cho thiết bị thực. Đây là phần tài liệu hướng dẫn lập trình PID trên Labview cho các hệ thống thực.
PHẦN LÝ THUYẾT Chương Tổng quan công cụ điều khiển PID Nội dung chương liệt kê nội dung công cụ điều khiển PID, diễn giải cách thức cài đặt chúng, diễn giải ứng dụng điều khiển PID Các nội dung - Hướng dẫn sử dụng công cụ điều khiển PID - Phần mềm bao gồm phần điều khiển PID VIs mẫu Yêu cầu phần cứng Để chạy công cụ máy tính bạn tối thiểu phải đạt yêu cầu sau: - Phần mềm LabView 6.0 trở lên - Hệ điều hành Các bước cài đặt Thực bước sau để cài đặt công cụ điều khiển PID hệ điều hành Windows 2000/NT/9x Khởi động Windows Đưa đĩa có chứa nội dung công cụ điều khiển PID Làm theo dẫn hình bạn Sau bạn hoàn thành dẫn cài đặt hình bạn, bạn sử dụng công cụ Các ứng dụng công cụ điều khiển PID Bộ công cụ điều khiển PID bao gồm hàm mà bạn sử dụng để phát triển ứng dụng điều khiển LabView Điều khiển PID Ngày nay, thuật toán PID thuật toán điều khiển sử dụng phổ biến công nghiệp Thông thường người ta sử dụng PID để điều khiển trình có chứa hệ thống làm nóng làm lạnh, giám sát mức chất lỏng, điều khiển dòng chảy, điều khiển áp suất Khi điều khiển theo PID, bạn thiết phải xác định tham biến trình tham biến cài đặt Tham biến trình tham số hệ thống mà bạn muốn điều khiển, nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, tham số cài đặt giá trị mong muốn tham số mà bạn điều khiển Bộ điều khiển PID thiết lập giá trị đầu ra, công suất nhiệt vị trí mở van Bộ điều khiển tác động đến hệ thống thông qua giá trị đầu làm cho tham biến trình bám theo giá trị cài đặt Bạn sử dụng công cụ điều khiển PID kết hợp với phần cứng hãng NI để phát triển ứng dụng điều khiển LabView Sử dụng phần cứng vào (I/O), thiết bị DAQ, mô dun vào FieldPoint, bo mạch GPIB để kết nối máy tính bạn vào hệ thống mà bạn muốn điều khiển Bạn sử dụng thiết bị ảo vào (I/O Vis) mà môi trường LabView cung cấp kết hợp với công cụ điều khiển PID để phát triển ứng dụng điều khiển sửa đổi ví dụ mà công cụ cung cấp Sử dụng thiết bị ảo diễn tả phần điều khiển PID hướng dẫn này, bạn phát triển ứng dụng điều khiển dựa vào điều khiển PID: - Các thuật toán tỉ lệ (P), tỷ lệ-tích phân(PI); tỷ lệ-vi phân(PD); tỷ lệ-tích phân-vi phân(PID) - Lập biểu cho hệ số khuếch đại PID - Tự động điều chỉnh tham số PID - Sai số quân phương PID - Vượt trước, chậm sau - Tạo hồ sơ cài đặt - Điều khiển dự báo - Điều khiển max-min - Điều khiển tỷ lệ/đường chéo Bạn kết hợp thiết bị ảo điều khiển kiểu PID với hàm toán toán học logic LabView để xây dựng sơ đồ khối để vạch kế hoạch điều khiển thực tế Các thiết bị ảo PID sử dụng hàm LabView thư viện thiết bị ảo mà không cần đến CINs để thực thuật toán Bạn sửa đổi VIs cho ứng dụng LabView mà không cần viết đoạn mã text Phần hướng dẫn trình bày điều khiển PID công cụ điều khiển PID Chương 1: Thuật toán PID, giới thiệu thuật toán mà VIs sử dụng Chương 3: Sử dụng phần mềm PID, dẫn giải cách thức sử dụng VIs PID Chương 4: Các ví dụ điều khiển trình, cung cấp ví dụ ứng dụng khác điều khiển PID Chương Các thuật toán PID Chương giải thích PID, ưu điểm PID thuật toán tự động tính toán tham số PID Thuật toán PID Bộ điều khiển PID so sánh giá trị đặt (SP) với giá trị cần xử lý (PV) để tìm sai số (e) e = SP − PV Sau điều khiển PID tính toán tác động điều khiển , u ( t ) , t de u ( t ) = K c e + ∫ edt + Td ÷ dt Ti K c hệ số khuếch đại điều khiển Nếu sai số đầu có dải từ -100% đến 100%, hệ số khuếch đại điều khiển có miền giá trị tương ứng Ti số thời gian tích phân tính phút, hay gọi thời gian hoàn nguyên, T d số thời gian vi phân tính phút, gọi thời gian tăng trưởng Công thức sau biễu diễn tác động tỉ lệ : uP ( t ) = K c e Tác động tích phân: uI ( t ) = Kc t edt Ti ∫0 Tác động vi phân: u D ( t ) = K cTd de dt Thực thuật toán PID kết hợp với PID VIs Phần diễn tả cách thức mà PID VIs thực thuật toán PID Các VIs sử dụng VIs đặt tên cho bạn sửa đổi đặc trưng cần thiết Tính toán sai số Công thức sau tính sai số mà từ sai số ta tính tác động tỉ lệ, tích phân, vi phân e ( k ) = ( SP − PV f ) Tác động tỉ lệ: Tác động tỉ lệ tích hệ số khuếch đại điều khiển nhân với sai số, theo công thức: uP ( t ) = ( K c × e ( k ) ) Tích phân hình thang: Tích phân hình thang sử dụng để tránh đỉnh nhọn làm thay đổi tác động tích phân xảy đột biến PV SP Sử dụng điều chỉnh phi tuyến tác động tích phân để điều hoà vọt lố Sai số lớn, tác động tích phân nhỏ, biểu diễn công thức sau: uI ( k ) = Kc Ti e ( i ) + e ( i − 1) × ∆t i =1 k ∑ Tác động vi phân phần: Vì thay đổi đột biến SP, áp dụng tác động vi phân cho PV, cho sai số e, để tránh xung vi phân Công thức sau diễn tả tác động vi phân phần: uD ( k ) = − K c Td ( PV f ( k ) − PV f ( k − 1) ) ∆t Đầu điều khiển: Đầu điều khiển tổng tác động tỷ lệ, vi phân tích phân, công thức sau; u ( k ) = uP ( k ) + uI ( k ) + uD ( k ) Giới hạn đầu ra: Giá trị đầu thực tế bị giới hạn dải xác định cho đầu điều khiển: u ( k ) ≥ umax u ( k ) = u max u ( k ) ≤ umin u ( k ) = u Công thức sau mô hình thực tế điều khiển PID: u ( t ) = K c ( SP − PV ) + Ti t ∫ ( SP − PV ) dt − Td dPV f dt Các PID VIs sử dụng thuật toán hiệu chỉnh tổng tích phân để chống lại tượng nhảy vọt đầu chuyển chế độ từ tay sang tự động Hiện tượng vọt lố xảy cận giá trị đầu điều khiển, ví dụ, 100% Khi sai số giảm, giá trị đầu giảm rơi khỏi vùng windup Thuật toán hiệu chỉnh tổng tích phân tránh cho đầu điều khiển không thay đổi đột ngột bạn chuyển chế độ từ tay sang tự động thay đổi tham số khác Dải mặc định tham số SP, PV đầu tương ứng với giá trị phần trăm, nhiên bạn sử dụng hệ đơn vị kỹ sư thông dụng Khi bạn điều chỉnh lại cho phù hợp Các tham số Ti Td tính phút Ở chế độ tay, bạn thay đổi giá trị đầu vào để tăng giảm đầu Bạn gọi PID VIs từ vòng lặp while với chu kỳ cố định Tất VIs điều khiển kiểu PID hàm toán gần Việc gọi nhiều lần VIs có mức cao sử dụng liệu riêng biệt phân biệt với Chú ý: Thường giá trị PV điều khiển tay gặp tiệm cận với giá trị đặt trước bạn chuyển sang điều khiển chế độ tự động Lập biểu hệ số khuếch đại Hệ số khuếch đại liên quan đến hệ thống nơi mà bạn thay đổi tham số điều khiển dựa điều kiện vận hành đo đạc Ví dụ, biến sô lập biểu điểm cài đặt, giá trị xử lý, đầu điều khiển, tín hiệu từ bên Vì số nguyên nhân có tính lịch sử, thuật ngữ lập biểu cho hệ số khuếch đại sử dụng dù tham số khác số vi phân tích phân thay đổi Việc lập biểu cho hệ số khuếch đại điều khiển hệ thống có thay đổi động kèm theo điều kiện vận hành Với điều khiển PID, bạn thiết lập không hạn chế tham số PID cho việc lập biểu hệ số khuếch đại Với kế hoạch, bạn chạy chức tự động tìm để cập nhật tham số PID Thuật toán PID tiên tiến Tính toán sai số Công thức sau giới thiệu việc tính tác động tỉ lệ, vi phân, tích phân thông qua sai số SP − PV f e ( k ) = ( SP − PV f ) L + ( − L ) × SPrange ÷ ÷ Sai số dùng để tính tác động tỉ lệ theo công thức sau: β SP − PV f eb ( k ) = ( β × SP − PV f ) L + ( − L ) × SPrange ÷ ÷ Ở SPrange dải giá trị đặt, β hệ số giá trị cài đặt cho cấp hai thuật toán PID tự miêu tả phần Tác động tỉ lệ chương này, L hệ số tuyến tính, tạo thuật ngữ gọi độ lợi phi tuyến mà hệ số khuếch đại điều khiển tăng theo biên độ sai số Nếu L 1, điều khiển tuyến tính Còn 0,1, độ lợi có giá trị cực tiểu 10% K c Sử dụng thuật ngữ độ lợi phi tuyến xin tham khảo phần Thuật toán PID sai số quân phương Tác động tỷ lệ: Trong ứng dụng này, SP thay đổi thường lớn nhanh biến động tải, biến động tải xuất chậm sau giá trị điều khiển từ giá trị đặt SP Phần tính toán PID đáp ứng tốt biến động tải thường có kết đáp ứng SP dao động không chấp nhận Tuy nhiên, việc tính toán đáp ứng SP (However, tuning for good SP responses often yields sluggish loaddisturbance responses) Hệ số β nhỏ 1, làm giảm vọt lố đáp ứng SP mà không ảnh hưởng đến đáp ứng nhiễu loạn tải Bằng trực giác thấy β số quan trọng đáp ứng SP, có giá trị từ đến Ví dụ, bạn coi đáp ứng tải , đặt β 0,0 Ngược lại, bạn muốn giá trị xử lý theo nhanh thay đổi SP, cho β 1,0 u P ( k ) = ( K c × eb ( k ) ) Tích phân hình thang Tích phân hình thang sử dụng để tránh thay đổi dạng đỉnh nhọn tác động tích phân có thay đổi đột ngột giá trị PV SP Việc sử dụng điều chỉnh phi tuyến tác động tích phân để loại trừ vọt lố Sai số lớn, tác động tích phân nhỏ, côngthwcs hình 2-1 K c k e ( i ) + e ( i − 1) uI ( k ) = ∑ ∆t Ti i =1 10 × e ( i ) 1+ SPrange Thuật toán tự tính toán tham số PID Việc sử dụng thuật toán tự tính toán(autotuning-AT) làm tăng hiệu Thường nhiều điều khiển tính toán tồi Kết vài điều khiển tác động thái quá, số khác yếu Các điều khiển PID gặp khó khăn việc tính toán mà bạn động học nhiễu loạn trình Trong trường hợp đó, bạn sử dụng chức AT Trước bạn bắt đầu sử dụng AT, bạn phải thiết lập điều khiển ổn định, không bạn tính tham số cho điều khiển Hình 2-2 minh hoạ thủ tục tự tính tham số tiến hành cách thử nghiệm thay đổi dạng rơle điểm đặt, nối rơ le tín hiệu phản hồi bổ sung với điểm đặt Chú ý VI AT PID thực trực tiếp trình Bộ điều khiển hành nằm vòng lặp Đối với phần lớn hệ thống, đặc trưng phi tuyến kiểu rơ le tạo chu kỳ giới hạn, qua thuật toán AT xác định thông tin liên quan cần thiết cho việc tính toán PID Nếu điều khiển hành có kiểu P, thuật toán AT xác định tiếp hai tham số Ku khoảng thời gian cuối Tu Nếu mô hình có dạng PI PID, thuật toán AT xác định thời gian trễ τ số thời gian TP , chúng hai tham số mô hình thời gian trễ-cộng-tích phân GP ( s ) = e −τ s TP s Các công thức: Phần sử dụng phương pháp tìm kiếm Nichol Ziegler để xác định tham số điều khiển PID Khi bạn bật chế độ AT, bạn chọn kiểu thực vòng lặp sau: kiểu nhanh ( ¼ mức tắt dần), kiểu bình thường ( có vài chỉnh), kiểu chậm ( chỉnh) Mỗi kiểu vòng lặp có giá trị tuỳ theo bảng công thức tính toán sau: Chú ý: Trong trình tính toán, trình điều khiển phải vòng điều khiển PID kín Bạn không nên tắt điều khiển có thực thử nghiệm điều kiện mạch vòng hở Khi thử nghiệm đầu vào rơ le, tín hiệu SP có biên độ đối xứng cấp cho điều khiển PID Chương Sử dụng phần mềm PID Chương cung cấp thông tin mà bạn cần có để bắt đầu sử dụng VI PID điều khiển Xây dựng chiến lược điều khiển Khi bạn xây dựng chiến lược điều khiển, phác thảo lưu đồ bao gồm trình vật lý yếu tố điều khiển van kích thước Bổ sung thông tin phản hồi từ trình vật lý phép tính yêu cầu Sau sử dụng VI điều khiểns công cụ (được kết hợp với VIs toán lôgic hàm LabView ) để chuyển lưu đồ sang sơ đồ khối Hình 3-1 ví dụ lưu đồ điều khiển sơ đồ khối LabView tương đương Các yếu tố VI đơn giản hóa thông số điều chỉnh vòng lặp chuyển mạch từ tự động sang tay Bạn sử dụng đầu vào đầu thông qua thiết bị DAQ, môđun đầu ra/đầu vào FieldPoint, thiết bị GPIB cổng đầu ra/đầu vào nối tiếp Bạn điều chỉnh tỉ lệ kiểm soát vòng theo thời gian thật Các tỉ lệ kiểm soát vòng điện bị hạn chế phần cứng máy tính bạn mức độ phức tạp hình hoạ số VIs Thiết lập thời gian Các VIs PID Lead-Lag công cụ phụ thuộc vào thời gian Một VI yêu cầu thông tin thời gian từ giá trị bạn cung cấp cho việc điều khiển vòng thời gian, dt, từ giữ nhịp giống giữ nhịp lắp ráp VI PIDs Nếu dt nhỏ 0, VI tính toán thông tin thời gian LabView gọi cho Trong lần gọi, VI đo thời gian tính từ lần gọi gần sử dụng chênh lệch phép toán Nếu bạn gọi VI từ While Loop có sử dụng VI thời gian LabView đặt palét Time & Dialogue, bạn có thời gian tương đối đặn, giữ nhịp nội bù vào biến số Tuy nhiên, Windows 2000 giải hàm Tick Count (ms) đến 1ms Vì bạn đừng cố gắng chạy VI PIDs nhanh 10 Hz dt nhỏ Hãy tham khảo tập tin LVREADME.WRI để có thêm thông tin việc tăng độ phân giải thời gian bạn Nếu dt giá trị dương tính theo giây, VI sử dụng giá trị phép tính, thời gian trôi qua Sử dụng phương pháp cho vòng lặp nhanh, chẳng hạn bạn sử dụng phần cứng thu thập liệu để đo thời gian đầu vào điều khiển Hãy tham khảo Demo-HW Timed VI PID thư viện loại mẫu prctlex.llb để xem ví dụ việc sử dụng định thời gian phần cứng với VIs kết hợp PID DAQ Trong ví dụ này, LabView lấy mẫu đầu vào tương tự khoảng thời gian xác, đổi thông số tỉ lệ quét thực từ AI Start VI mắc nối tỉ lệ quét thực thành đầu vào dt Theo lý thuyết điều khiển, hệ thống điều khiển phải lấy mẫu trình vật lý mức nhanh khoảng 10 lần so với số thời gian nhanh trình vật lý Ví dụ, số thời gian 60 giây số thường gặp cho vòng điều khiển nhiệt độ hệ thống nhỏ Trong trường hợp này, thời gian chu trình khoảng giây đủ Chu kỳ lặp nhanh chẳng cải thiện Thật sự, việc chạy tất VIs điều khiển bạn nhanh làm chậm đáp ứng thời gian ứng dụng LabView bạn Tất VI vòng lặp thực lần vòng lặp chu kỳ thời gian Để chạy vài VI điều khiển chu kỳ thời gian khác chia sẻ liệu chúng, chẳng hạn tầng xếp, bạn phải tách VI thành Vòng lặp While có thời gian độc lập Hình 3-2 cho thấy ví dụ tầng xếp với hai Vòng lặp While định thời gian độc lập Một biến toàn cục chuyển đầu Vòng lặp A đến đầu vào PV Vòng lặp B Bạn đặt hai vòng lặp While sơ đồ Trong trường hợp này, 10 Với VI PID Lập biểu độ lợi, bạn áp dụng thông số PID khác cho vùng hoạt động khác điều khiển Vì hầu hết trình xử lý phi tuyến tính, thông sô PID thường hồi đáp theo yêu cầu điểm hoạt động định không đưa hồi đáp mong muốn thời điểm khác Gain Schedule VI chọn lựa cho độ lợi PID từ gain schedule dựa giá trị thời đầu vào giá trị lập biểu độ lợi Ví dụ, để thực gain schedule dựa giá trị biến số xử lý, nối giá trị biến số xử lý đến đầu vào giá trị lập biểu độ lợi value wire đầu PID gains out đến đầu vào PIG gains PID VI Đầu vào PID gain schedule dãy nhóm độ lợi PID giá trị cực đại tương ứng Mỗi độ lợi PID tương ứng với phạm vi giá trị đầu vào từ giá trị cực đại yếu tố đứng trước dãy đến giá trị cực đại yếu tố dãy Phạm vi đầu vào độ lợi PID yếu tố PID gain schedule tất giá trị nhỏ giá trị cực đại tương ứng 18 Trong Hình 3-8, Ví dụ Gain Schedule sử dụng giá trị điểm cài biến số lập biểu độ lợi với phạm vi mặc định từ đến 100 Bảng 3-3 tóm tắt thông số PID Giới hạn tỉ lệ đầu điều khiển Những thay đổi đột ngột đầu điều khiển thường không mong muốn chí nguy hiểm nhiều ứng dụng điều khiển Ví dụ, thay đổi đột ngột lớn điểm cài dẫn đến thay đổi lớn đầu điều khiển Mặc dù lý thuyết, thay đổi điều khiển dẫn đến việc hệ thống hồi đáp nhanh, gây hao mòn không cần thiết cấu truyền động đầu từ yêu cầu điện lớn đột ngột Ngoài ra, điều khiển PID khuếch đại nhiễu hệ thống cho đầu điều khiển liên tục thay đổi Bạn sử dụng Bộ giới hạn tỉ lệ đầu PID VI để tránh vấn đề thay đổi đột xuất đầu điều khiển Hãy wire giá trị đầu từ PID VI đến đầu vào input(controller output) Bộ giới hạn tỉ lệ đầu PID Việc giúp giới hạn tỉ lệ thay đổi đầu thành giá trị tỉ lệ đầu (EGU/min) Đặt giá trị cho đầu ban đầu (initial output) giá trị giá trị đầu lần gọi đến VI Bạn đặt lại giá trị đầu giá trị ban đầu cách chuyển giá trị TRUE đến đầu tái khởi tạo? Bạn sử dụng dt để xác định thời gian chu kỳ vòng lặp điều khiển Giá trị mặc định -1, cho theo mặc định VI sử dụng đồng hồ hệ thống hoạt động cho phép tính liên quan đến thời gian chu kỳ vòng lặp Nếu thời gian chu kỳ vòng lặp đặt trước, bạn cung cấp đầu vào cho Bộ giới hạn tỉ lệ đầu PID VI Lưu ý đồng hồ hệ thống hoạt động có độ phân giải 1ms, bạn nên xác định giá trị dt cách rõ ràng thời gian chu kỳ vòng lặp nhỏ 1ms VI PID Vượt trước – Trễ sau PID Lead-Lag VI sử dụng thuật toán xác định gần giá trị Lead-Lag Các sơ đồ điều khiển hồi tiếp dự báo thường sử dụng thuật toán điều chỉnh động 19 Bạn xác định phạm vi đầu cách sử dụng đầu vào input range Phạm vi mặc định từ -100 đến 100, tương đương với giá trị xác định theo tỉ lệ phần trăm Tuy nhiên, bạn thay đổi phạm vi cho phù hợp với hệ thống điều khiển mình, để độ lợi điều khiển liên kết đơn vị đo lường kỹ thuật với thay tỉ lệ phần trăm với PID Lead-Lag VI bắt buộc đầu điều khiển phải nằm phạm vi xác định Giá trị đầu lần gọi thứ cho VI với giá trị đầu vào Bạn đặt lại giá trị đầu theo giá trị đầu vào cách chuyển giá trị TRUE đến đầu vào tái khởi tạo? Bạn sử dụng dt để xác định thời gian chu kỳ vòng lặp điều khiển Giá trị mặc định -1, cho theo mặc định VI sử dụng đồng hồ hệ thống hoạt động cho phép tính liên quan đến thời gian chu kỳ vòng lặp Nếu thời gian chu kỳ vòng lặp định trước, bạn cung cấp đầu vào cho PID Lead-Lag VI Lưu ý đồng hồ hệ thống hoạt động có độ phân giải 1ms; thế, bạn nên xác định dt rõ ràng thời gian chu kỳ vòng lặp nhỏ 1ms Chuyển đổi tỉ lệ phần trăm đơn vị đo lường kỹ thuật Như mô tả trên, điểm đặt mặc định, biến số xử lý phạm vi đầu cho PID VI tương ứng với tỉ lệ phần trăm Nói cách khác, propotional gain (Kc) liên kết tỉ lệ phần trăm đầu với tỉ lệ phần trăm đầu vào Đây hoạt động mặc định nhiều điều khiển PID sử dụng cho ứng dụng điều khiển Để thực PID theo cách này, bạn phải tính tất đầu vào theo tỉ lệ phần trăm tính tất đầu điều khiển theo đơn vị đo lường kỹ thuật, ví dụ tính theo vôn đầu dạng tương tự Bạn sử dụng PID EGU to % VI để chuyển đổi đầu vào từ đơn vị đo lường kỹ thuật thực sang tỉ lệ phần trăm Bạn sử dụng PID %to EGU để đổi ngược lại PID EGU to % VI có đầu vào bổ sung, coerce output to range? Giá trị mặc định đầu vào coerce output to range? TRUE Lưu ý: PID VI không sử dụng thông tin dải điểm đặt dải đầu để chuyển đổi giá trị sang tỉ lệ phần trăm thuật toán PID Độ lợi điều khiển liên kết đầu dạng đơn vị đo lường kỹ thuật với đầu vào dạng đơn vị đo lường kỹ thuật Ví dụ, giá trị độ lợi sản sinh đầu 10 chênh lệch điểm đặt biến số xử lý 10, dải đầu dải điểm đặt Sử dụng PID với Autotuning VI Autotuning Wizard Để sử dụng Autuning Wizard để cải thiện hoạt động điều khiển, bạn phải tạo trình ứng dụng điều khiển xác định thông số PID giúp 20 điều khiển ổn định hệ thống Bạn phát triển trình ứng dụng điều khiển có sử dụng PID VI, PID Gain Schedule VI PID với Autotuning VI Vì PID với Autotuning VI có đầu vào đầu thích hợp với PID VI khác, nên bạn thay PID VI PID với Autotuning VI có số giá trị đầu vào đầu bổ sung để xác định quy trình tự điều chỉnh Hai giá trị đầu vào bổ sung autotuning parameters autotune? Autotuning parameters chuỗi thông số mà VI sử dụng cho trình tự điều chỉnh Do Autotuning Wizard cho phép bạn xác định tất thông số tay, bạn không nối đầu autotuning parameters Đầu vào autotune? lấy giá trị Boolean điều khiển người dùng Bạn nối nút điều khiển Boolean panel điều khiển trình ứng dụng bạn cho đầu vào Khi người sử dụng nhấn nút điều khiển Boolean, Autotuning Wizard tự động mở Đặt hoạt động học nút điều khiển Boolean chế độ Latch When Released để Autotuning Wizard không mở mở lại người sử dụng nhấn nút điều khiển Autotuning Wizard đưa người sử dụng bước qua trình tự động điều chỉnh Xem Chương để biết thêm chi tiết thuật toán tự điều chỉnh PID với Autotuning VI có hai giá trị đầu bổ sung – tuning completed? PID gains out Đầu tuning completed? giá trị Boolean Nó thường FALSE thành TRUE lặp, mà trình lặp lại tự điều chỉnh hoàn tất Quá trình tự điều chỉnh cập nhật thông số PID PID gains out Thông thường, PID gains out qua PID gains cho PID gains out trình tự điều chỉnh hoàn tất Bạn có số cách để sử dụng đầu ứng dụng bạn Hình 3-9 cho thấy khả thực PID với Autotuning VI Thanh ghi shift bên trái lưu giá trị ban đầu độ lợi PID.Sau đó, PID gains out chạy qua ghi dịch bên phải lặp lại vòng lặp điều khiển chấm dứt Mặc dù phương pháp đơn giản, có hạn chế Người sử dụng thay đổi PID gains tay vòng lặp điều khiển chạy 21 Hình 3-10 minh họa phương pháp thứ hai, sử dụng biến số nội để lưu PID gains cập nhật Trong ví dụ này, VI đọc nút điều khiển PID gains lần lặp lại, biến số nội cập nhật nút điều khiển tuning completed? TRUE Phương pháp cho phép điều khiển tay PID gains vòng lặp điều khiển chạy Trong hai ví dụ, bạn phải lưu PID gains để bạn sử dụng giá trị PID gains out cho trình ứng dụng tiếp sau chạy Để làm điều này, phải bảo đảm nút điều khiển PID gains hiển thị thông số cập nhật tại, sau chọn Make Current Values Default từ thực đơn Operate, sau lưu VI Để tránh phải lưu tay VI lần chạy, bạn sử dụng tập tin datalog để lưu PID gains Hình 3-11 Trước vòng lặp điều khiển bắt đầu, File I/O Vis đọc tập tin datalog để có thông số PID gains Khi quy trình tự điều chỉnh chạy, biến số nội cập nhật nút điều khiển PID gains Sau vòng lặp hoàn tất, VI ghi chuỗi PID gains vào tập tin datalog lưu lại Mỗi lần chạy, VI sử dụng thông số cập nhật 22 Sử dụng OID với thiết bị DAQ Phần lại chương giải số vấn đề quan trọng mà bạn gặp phải sử dụng DAQ Vis để thực điều khiển trình thật Các ví dụ sau minh họa khác sử dụng DAQ VI cấp độ dễ sử dụng DAQ VI tiên tiến, khác định thời gian phần cứng định thời gian phần mềm Vòng lặp điều khiển DAQ phần mềm định thời gian Hình 3-12 minh họa yếu tố điều khiển phần mềm Mô hình giả thiết bạn có nhà máy, quy trình thực, để điều khiển Một đầu vào tương tự VI đọc biến số trình từ cảm biến có chức giám sát trình Trong ứng dụng thật, bạn cần phải tính giá trị theo đơn vị đo lường kỹ thuật thay theo điện áp Bộ điều khiển VI thể thuật toán thực việc điều khiển phần mềm Bộ điều khiển VI VI mà bạn viết LabVIEW, điều khiển PID, điều khiển VI mờ VI đầu tương tự cập nhật điện áp tương tự sử dụng đầu điều khiển cho trình hoạt động Chức Wait Until Next ms Multiple điều khiển việc định thời gian vòng lặp ví dụ xác định khoảng thời gian tối thiểu cho vòng lặp chạy Các hoạt động khác LabVIEW tăng thời gian chạy cho chức vòng lặp Thời gian cho lặp lại vòng lặp thứ không định trước Xem phần LabVIEW Help để biết thêm thông tin định thời gian vòng lặp điều khiển 23 Thực DAQ VI cao cấp vòng lặp điều khiển DAQ phần mềm đặt thời gian Để có tốc độ I/O vòng lặp cao hơn, bạn sử dụng DAQ VI cao cấp cho đầu vào đầu tương tự VI cấp độ minh họa Hình 3-12 thực có sử dụng DAQ VI cao cấp trình bày ví dụ Tuy nhiên, VI cấp độ dễ định cấu hình cho đầu vào đầu tương tự với lần lặp lại vòng lặp, điều tạo tổn phí không cần thiết làm chậm vòng lặp điều khiển bạn Bạn sử dụng DAQ VI cao cấp để định cấu hình cho đầu vào đầu tương tự lần thay lần lặp lại vòng lặp Hãy chắn bạn đặt chức định cấu hình vòng lặp chuyển nhiệm vụ ID đến chức I/O vòng lặp AI Single Scan VI AO Single Update VI gọi DAQ driver trực tiếp thay thông qua việc gọi VI con, điều giảm thiểu tổn phí cho chức DAQ Ví dụ không sử dụng chức định thời gian để xác định tốc độ vòng lặp Vì vậy, vòng lặp điều khiển chạy nhanh tốt, LabVIEW tối đa hóa tỉ lệ vòng lặp điều khiển Tuy nhiên, hoạt động khác LabVIEW làm chậm vòng lặp làm thay đổi tốc độ từ lần lặp sang lần lặp lại khác Vì hệ điều hành Windows NT/2000 hệ điều hành đa chức ưu tiên trước, trình ứng dụng khác làm ảnh hưởng đến tốc độ vòng lặp Vòng lặp điều khiển DAQ phần cứng định thời gian 24 Hình 3-14 minh họa việc định thời gian phần cứng Trong ví dụ này, hoạt động đầu vào tương tự liên tục điều khiển tốc độ vòng lặp Lưu ý DAQ VI cao cấp trung cấp xác định tỉ lệ đạt cho hoạt động quét đầu vào tương tự VI đầu tương tự giống VI ví dụ trước Với lần lặp lại vòng lặp, AI SingleScan VI trả lại lớp quét liệu Bộ điều khiển VI xử lý liệu, LabVIEW cập nhật kênh đầu tương tự với tốc độ nhanh VI Nếu thời gian xử lý sơ đồ vòng lặp so với khoảng thời gian lần quét liệu, scan rate gọi control rate Nếu việc xử lý đầu tương tự, thuật toán điều khiển đầu nhiều thời gian khoảng thời gian lần quét liệu xác định, ví dụ 1ms, phần mềm rơi xuống thấp tỉ lệ đạt phần cứng không trì thời gian thực Nếu bạn giám sát data remaining bạn gọi cho AI SingleScan, bạn xác định liệu VI có để lần quét không Nếu data remaining 0, hoạt động điều khiển thời gian thật 25 Chương Các ví dụ điều khiển trình Mục miêu tả ví dụ có sử dụng VIs điều khiển PID Bạn không cần đến thiết bị DAQ để chạy mô VIs, bạn phải có đủ phần cứng thích hợp để chạy thể nghiệm VIs Các VIs mô Các ví dụ theo thể việc điều khiển trình mô hoàn toàn phần mềm Bạn sử dụng ví dụ để học cách thực hoạt động điều khiển PID mà nối kết ứng dụng điều khiển với trình vật lý bên Mô mức két chứa VI Mức Két chứa mô trình đơn giản mức két chất lỏng Bộ điều khiển mức điều chỉnh dòng chất lỏng chảy vào két Để qua sát thay đổi trình chạy, bạn kích chuột vào van nằm đường ống Với VI này, bạn chuyển từ chế độ tự động sang tay Hình 4-1 phần mặt trước panel điều khiển VI Mức Két VI Mức Két sử dụng trình kết hợp có kèm theo nhiễu, vùng không nhạy van, trễ khe xung, trình tải nạp biến số, tất chúng bạn điều chỉnh Không giống khối PID, VI tự không hiệu chỉnh chu kỳ vòng lặp Chu kỳ vòng lặp thiết lập cố định 0,5s Hình 4-2 giới thiệu sơ đô khối VI mức két VI mô thiết bị theo trình này, đọc làm chậm vị trí van thời điểm trước co giãn phù hợp với hệ số khuếch đại trình Hệ số khuếch đại tượng trưng cho mức độ điền đầy két chứa nhanh hay chậm, ngược lại với vị trí van ( vị trí van thời gian làm đầy két vô ) Lượng tải trình tuỳ thuộc vào vị trí van xả HV-101 Mức két giảm xuống bạn mở van 26 Bộ mô PID thông thường VI mô PID thông thường gần giống VI mức két, khác điều chỉnh trình thể panel của VI mô PID thông thường VI sử dụng trình kết hợp đơn giản, vòng điều khiển mức, có bổ sung thêm nhiễu, vùng chết van, quán tính hệ, khe xung, tải động, tất mà bạn muốn điều chỉnh Bạn thời gian để nắm bắt Không giống VI PID, VI theo PID thông thường tự không hiệu chỉnh chu kỳ vòng lặp Chu kỳ thiết lập 1s, trừ bạn muốn can thiệp vào trình Hình 4-3 thể mặt điều khiển VI theo PID thông thường 27 VI mô PID thường bố trí công tắc chuyển chế độ điều khiển qua lại từ tay sang tự động chế độ giữ Hình 4-4 sơ đồ khối VI PID thường Giống VI mô mức két, việc mô điều khiển sử dụng VI mô thiết bị Sự mô PID thường xem ứng dụng điều khiển áp suất Vòng lặp While bước lặp thực việc đọc làm trễ vị trí van thời điểm trước đó, sau điều chỉnh phù hợp với hệ số khuếch đại trình Hệ số khuếch đại lấy đơn vị PSI phần trăm góc mở van Thời gian chết (thời gian điều khiển) trình bội số chu kỳ lặp mà giá trị xác lập, thời gian trễ cố định Nếu bạn thay đổi chu kỳ vòng lặp, bạn thiết phải thay đổi thời gian để giữ cho đáp ứng trình không đổi Bạn không cần điều chỉnh quán tính thời gian trình thời gian quán tính bạn phải tìm trình Bộ mô thiết bị VI mô thiết bị, mô tả hình 4-5, mô đáp ứng thiết bị vật lý 28 VI thiết bị tính PV dạng phần trăm Để sử dụng VI vòng lặp điều khiển có hồi tiếp, ta gọi VI với công tắc Update PV (cập nhật process value) thiết lập FALSE thực thuật toán PID bạn Sau bạn gọi VI chuyển công tắc Update PV sang TRUE Khi bạn bổ sung tất đặc tính thiết bị kết nối đầu PID với tham số chấp hành, VI tính toán giá trị PV Khi bạn để Update PV FALSE, giá trị PV cuối chuyển đến đầu Khi bạn để TRUE, VI đọc làm trễ PV, sau điều chỉnh cho phù hợp với hệ số khuếch đại trình Đầu lọc giá trị PV Hình 4-6 giới thiệu sơ đồ khối VI mô thiết bị Để mô đồng thời nhiều thiết bị, bạn lưu nhiều chép VI tên khác Điều khiển tầng điều khiển lựa chọn VI Tầng Lựa chọn chứng tỏ điều khiển tầng điều khiển lựa chọn biết đến kiểu điều khiển giới hạn cao thấp VI mô truyền động máy nén động có gắn cảm biến tốc độ ( máy phát tốc ), cần mạch vòng điều khiển tốc độ, mạch vòng xuôi Tín hiệu áp suất dòng chảy từ máy nén qua PID riêng rẽ Bạn muốn điều khiển dòng chảy, áp suất vượt giá trị SP xác định áp suất cần phải điều khiển Việc yêu cầu chức chọn lựa thấp để kết hợp hai đầu điều khiển ngược Chức thấp hai đầu trở thành SP cho tốc độ máy nén Hình 4-7 minh hoạ mặt trước panel VI Điều khiển Chọn lựa Điều khiển Tầng Khi bạn chạy VI, điều khiển áp suất (PC) điều khiển dòng (FC) bật lên ON bạn lựa chọn chúng Thường bạn phải SP áp suất không đổi Tăng dòng chảy lên nhiều quan sát xem PC đạt đến chỉnh mà áp suất vượt điểm đặt khoảng thời gian ngắn Trên thực tế ống cắm vào hệ thống gây nên chỉnh cho mạch vòng áp suất Chú ý: Tất biến mô dạng phần trăm Trong ứng dụng thực tế, bạn muốn chuyển giá trị đầu vào giá trị đặt từ giá trị phần trăm dạng bình thường trước bạn đưa chúng đến điều khiển PID 29 Mạch vòng thuận, gọi mạch vòng nội ( ), mạch vòng điều khiển tốc độ, phải nhanh mạch vòng ( mạch vòng lớn ) Ta sử dụng hệ số 10 để tránh dao động Trong mô này, quán tính thời gian máy nén nhỏ nhanh quán tính thời gian mạch vòng Sơ đồ khối cho VI chứa mạch vòng phân tầng Mạch vòng nội nằm sơ đồ bao gồm PID điều khiển tốc độ, quán tính thời gian, nhiễu bổ sung Đầu PID chuyển thành công suất cấp cho mô tơ LabView chuyển đầu thành ghi dịch Vòng lặp While áp quán tính thời gian để mô quán tính hệ mô tơ/máy nén Lượng nhiễu thêm vào làm cho việc mô gần sát với thực tế Hình 4-8 sơ đồ khối VI điều khiển lựa chọn điều khiển tầng Nửa bên phải sơ đồ bao gồm VI PID, cho áp suất cho dòng VI chọn lựa vòng lặp While tạo đầu thấp làm điều khiển tích cực, nối chúng đến đầu vòng lặp While để điều khiển tốc độ máy nén đạt đến giá trị đặt 30 VI lấy tín hiệu phản hồi cho hai điều khiển từ đáp ứng trình máy nén Mặc dù bạn thêm vào quán tình thời gian và/hoặc nhiễu, kết áp suất tương đồng với vòng quay máy nén VI bổ sung thêm trễ thời gian lẫn nhiễu cho điều khiển dòng để mô tốt đáp ứng thực dòng chất lỏng Các VI mẫu Các VI mẫu cho bạn làm bạn sử dụng chức công cụ điều khiển PID để điều khiển trình vật lý thật PID với bo mạch MIO VI PID với bo mạch MIO biến máy tính bạn thành điều khiển PID vòng lặp bạn dùng thiết bị DAQ NI Nối đầu tương tự đến đầu vào tương tự qua mạng điện trở - tụ điện minh hoạ mặt panel hình 4-9 Chú ý: Bạn phải có phần cứng thích hợp để chạy ví dụ Chỉ số chân hình 4-9 tương ứng với chân nối chuẩn MIO, dạng cáp chuẩn 50 chân từ thiết bị DAQ Series E VI điều chỉnh đầu tương tự cho đầu vào PV với giá trị đặt SP VI hiển thị giá trị SP PV biểu đồ nhỏ Bạn thí nghiệm với phương pháp điều chỉnh tham số điều khiển khác để tìm thời gian độ nhanh với lượng chỉnh Các tham số điều chỉnh mặc định tối ưu cho mạng hình 4-10 31 Đầu vào trải dải điện áp từ -10 đến 10V , đầu từ đến 10V Cả PV SV tính vôn Thiết lập đầu vào tương tự thiết bị DAQ đến chế độ đầu vào vi sai phạm vi ±10V, thiết lập đầu thành lưỡng cực dải 10V, tất giá trị nhà máy thiết lập sẵn cho bạn Nếu bạn muốn sử dụng thiết lập bạn, bạn thay đổi số sơ đồ khối cho chúng phù hợp với cấu hình thiết bị DAQ Bạn nên dùng mạng có độ lợi DC vào khoảng 0,33, khe xung hiệu vào khoảng 5s, số thời gian hiệu khoảng 30s Để tuỳ biến VI minh hoạ này, bạn bổ sung thêm cảnh báo giới hạn qua đầu số board I/O, sử dụng đầu vào tương tự để thiết lập từ xa SP, đầu vào số khác làm công tắc chuyển mạch tự động – tay Chú ý: Nên thay VI PID PID có hỗ trợ chức tự động điều chỉnh để thấy tính hiệu công cụ tự điều chỉnh điều khiển Vượt trước trễ sau VI mẫu vượt trước trễ (VI mẫu Lead-Lag) sau giới thiệu hình 4-11, sử dụng sóng sin sóng vuông làm nguồn kích thích Dạng sóng đồng với chu kỳ mà bạn chọn Khi bạn biến đổi tham số điều chỉnh, bạn nhìn thấy đáp ứng VI mẫu Lead-Lag theo miền thời gian Việc thiết lập độ vượt trước lớn nguyên nhân gây dao động đầu ra, bạn thiết lập độ trễ sau lớn lọc tín hiệu phải làm việc nhiều, khiến cho tín hiệu hẳn 32 [...]... khiển như PID VI Lập biểu độ lợi 17 Với VI PID Lập biểu độ lợi, bạn có thể áp dụng các bộ thông số PID khác nhau cho các vùng hoạt động khác nhau của bộ điều khiển Vì hầu hết các quá trình xử lý đều là phi tuyến tính, các thông sô PID thường hồi đáp theo đúng yêu cầu tại một điểm hoạt động nhất định có thể sẽ không đưa ra hồi đáp như mong muốn tại một thời điểm khác Gain Schedule VI chọn lựa và cho ra... bộ điều khiển, bạn phải tạo ra trình ứng dụng điều khiển của mình và xác định các thông số PID giúp 20 điều khiển ổn định hệ thống Bạn có thể phát triển trình ứng dụng điều khiển có sử dụng PID VI, PID Gain Schedule VI hoặc PID với Autotuning VI Vì PID với Autotuning VI có đầu vào và đầu ra thích hợp với các PID VI khác, nên bạn có thể thay thế bất kỳ PID VI nào bằng nó PID với Autotuning VI có một số... PID từ một gain schedule dựa trên giá trị hiện thời của đầu vào giá trị lập biểu độ lợi Ví dụ, để thực hiện một gain schedule dựa trên giá trị của biến số xử lý, hãy nối giá trị biến số xử lý đến đầu vào giá trị lập biểu độ lợi value và wire đầu ra PID gains out đến đầu vào PIG gains của PID VI Đầu vào PID gain schedule là một dãy các nhóm độ lợi PID và các giá trị cực đại tương ứng Mỗi bộ độ lợi PID. .. điều chỉnh PID với Autotuning VI cũng có hai giá trị đầu ra bổ sung – tuning completed? và PID gains out Đầu ra tuning completed? là một giá trị Boolean Nó thường là FALSE và sẽ thành TRUE chỉ trong sự lặp, mà trong quá trình lặp lại này sự tự điều chỉnh được hoàn tất Quá trình tự điều chỉnh cập nhật các thông số PID trong PID gains out Thông thường, PID gains out đi qua PID gains và cho ra PID gains... -1, sao cho theo mặc định VI sử dụng đồng hồ hệ thống hoạt động cho các phép tính liên quan đến thời gian chu kỳ vòng lặp Nếu thời gian chu kỳ vòng lặp được đặt trước, bạn có thể cung cấp đầu vào này cho Bộ giới hạn tỉ lệ đầu ra PID VI Lưu ý rằng đồng hồ hệ thống hoạt động có độ phân giải là 1ms, vì vậy bạn nên xác định một giá trị dt một cách rõ ràng nếu thời gian chu kỳ vòng lặp nhỏ hơn 1ms VI PID Vượt... trong các hệ thống điều khiển, giá trị ban đầu của điểm cài đặt khác không, và có khi có một giá trị lớn Nếu hệ thống khởi động ngay từ đầu với tham số này, hệ thống sẽ nhận được một giá trị ra rất lớn Để tránh trường hợp này, các bộ PID về sau có thêm khả năng Điểm cài Ramp, nghĩa là chúng tự tăng dần Điểm cài cho đến khi gặp giá trị cần thiết) VI mô tả sơ lược điểm cài PID có trên palét PID có thể... khiển Mặc dù trên lý thuyết, sự thay đổi này trong bộ điều khiển dẫn đến việc hệ thống hồi đáp nhanh, nhưng nó cũng có thể gây ra hao mòn không cần thiết đối với cơ cấu truyền động đầu từ hoặc yêu cầu điện năng lớn đột ngột Ngoài ra, bộ điều khiển PID còn có thể khuếch đại nhiễu trong hệ thống và cho ra đầu ra bộ điều khiển liên tục thay đổi Bạn có thể sử dụng Bộ giới hạn tỉ lệ đầu ra PID VI để tránh... dụng như đầu ra bộ điều khiển cho quá trình hoạt động Chức năng Wait Until Next ms Multiple điều khiển việc định thời gian vòng lặp trong ví dụ này sẽ xác định chỉ một khoảng thời gian tối thiểu cho vòng lặp chạy Các hoạt động khác trong LabVIEW có thể tăng thời gian chạy cho các chức năng vòng lặp Thời gian cho lặp lại vòng lặp thứ nhất không được định trước Xem phần LabVIEW Help để biết thêm thông... gian Tham khảo các mục Quy trình điều chỉnh vòng kín (ultimate gain) và Quy trình điều chỉnh vòng hở (kiểm tra theo bước) ở chương này để biết thêm chi tiết Quy trình điều chỉnh vòng kín Mặc dù quy trình điều chỉnh vòng kín rất chính xác, bạn vẫn phải đưa quá trình xử lý vào dao động trạng thái liên tục và quan sát PV trên sơ đồ trải Hoàn thành các bước sau để thực hiện quy trình điều chỉnh vòng kín... để xác định thời gian chu kỳ vòng lặp điều khiển Giá trị mặc định là -1, sao cho theo mặc định VI sẽ sử dụng đồng hồ hệ thống hoạt động cho các phép tính liên quan đến thời gian chu kỳ vòng lặp Nếu thời gian chu kỳ vòng lặp được định trước, bạn có thể cung cấp đầu vào này cho PID Lead-Lag VI Lưu ý rằng đồng hồ hệ thống hoạt động có độ phân giải là 1ms; vì thế, bạn nên xác định dt rõ ràng nếu thời gian ... dụ ứng dụng khác điều khiển PID Chương Các thuật toán PID Chương giải thích PID, ưu điểm PID thuật toán tự động tính toán tham số PID Thuật toán PID Bộ điều khiển PID so sánh giá trị đặt (SP)... dụng điều khiển có sử dụng PID VI, PID Gain Schedule VI PID với Autotuning VI Vì PID với Autotuning VI có đầu vào đầu thích hợp với PID VI khác, nên bạn thay PID VI PID với Autotuning VI có số... thông số PID PID gains out Thông thường, PID gains out qua PID gains cho PID gains out trình tự điều chỉnh hoàn tất Bạn có số cách để sử dụng đầu ứng dụng bạn Hình 3-9 cho thấy khả thực PID với