Ao4300
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
HUTECH
University
NGUYEN KHANH GIA
NGHIEN CUU VA THIET KE BQ DIEU KHIEN
PID THICH NGHI DIEU KHIEN DONG CO MOT CHIEU CO MOMEN QUAN TINH THAY DOI
LUAN VAN THAC SI
Chuyén nganh : KY THUAT CO DIEN TU Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ HỒNG DUY
Trang 2CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS.VÕ HỒNG DUY oy —_— Ve then Duy Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Cơng nghệ TP HCM ngày tháng năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 | TS.Nguyén Thanh Phuong Chủ tịch
2_ | TS.Nguyễn Duy Anh Phản biện 1 77”
3 | TS.Bui Thanh Luan Phan bign2 “#⁄
4 | PGS TS.Lé Hitu Son Uy vién
Trang 3TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHONG QLKH - DTSDH Độc lập — Tự do — Hanh phic
TP HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN KHÁNH GIA Giới tính: nam
Ngày, tháng, năm sinh: 26-10-1974 Nơi sinh: Tiền Giang
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840007
I- Tén đề tài:
NGHIEN CUU VA THIET KE BO DIEU KHIEN PID THICH NGHI DIEU
KHIEN DONG CO MOT CHIEU CO MOMEN QUAN TINH THAY DOI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- _ Nghiên cứu luật điều khiển PID;
- _ Mơ phỏng băng Simulink Matlab;
- Thiết kế và thi cơng mơ hình điều khiển ổn định tốc độ động cơ DC khi cĩ
mơmen quán tính thay đổi bằng luật điều khiển PID
II- Ngày giao nhiệm vụ: 1 8 tháng 8 năm 2014
IV- Ngày hồn thành nhiệm vụ: 20 tháng 1 năm 2015
V- Cán bộ hướng dẫn:TS.VÕ HỒNG DUY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
Ci
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguơn
z A
goc
Học viên thực hiện Luận văn
Trang 5LỜI CÁM ƠN
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn khoa học TS VÕ HỒNG DUY đã hướng dẫn tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu
Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cơ khoa Cơ-Điện-Điện Tủ Trường Đại Học Cơng Nghệ TP.HCM, quý thầy cơ bộ mơn Cơ Điện Tử của Trường Đại Học Bách
Khoa TP.HCM đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tơi trong suốt quá trình thực hiện luận văn
Xin cảm ơn quý thầy cơ đã tham gia giảng dạy lớp cao học khĩa 2013-2015 đã mang đến cho bản thân tơi những kiến thức quý báu trong khoa học kỹ thuật
Trang 6li
TOM TAT LUẬN VĂN
Nhiệm vụ của luận văn là sử dụng giải thuật PID thích nghi, ứng dụng trên vi
điều khiển để điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ DC khi mơmen quán tính thay đổi,
đồng thời so sánh giữa lý thuyết và mơ hình thực tế
Luận văn được thực hiện như sau:
Trước tiên, sử dụng giải thuật PID thích nghỉ, ứng dụng trên vi điều khiển
PICI6F877A là bộ điều khiển trung tâm, dùng phần mém Matlab dé mơ phỏng
trong trong lý thuyết, phần cơng suất sử dụng driver tích hợp MOSFET dé điều chỉnh tốc độ động cơ đạt giá trị đặt, nhập vào từ trước, khi khơng tải và cĩ tải
Cụ thể, Encoder quang sẽ đưa xung phản ánh tốc độ động cơ về vi điều khiển,
Trang 7iv
ABSTRACT
The mission of the thesis is to use the adaptive PID algorithm, applied on the
microcontroller to adjust stable DC motor speed when changing moment of inertia, while the comparison between theoretical and practical models
Thesis was carried out as follows:
First, using adaptive PID algorithms, applications on microcontroller
PIC16F877A is the center console, using Matlab software to simulate in theory, the capacity to use integrated MOSFET driver to adjust the motor speed engine reaches
the set value, input from the front, the no-load and load
Specifically, Optical Encoder pulses will reflect on engine speed microcontroller, then microcontroller calculates the current speed to display and
Trang 8MỤC LỤC
In i
iu 0 ii IS: HÀ 1/daẢ ƠỎ ii
MU 11 .Aãa ae PHB HEA V
Danh mục các ký hiệu nà HH HH Hà HH HH HH H1 H181 ân vii Dam muc x18); 187 Vill Danh mục các bảng - nh nH Hành HH Hà Hồ HH HH1 11111111101171101 1 c0 X
MO DAU
1.Tính cấp thiết ctha dé tai cccccccsecccssecssssssessessseessecssccneceressusesesseeeessneesneesneeneess 1
2 Muc ti8u cla dé tai ceccccceccsseccsesssessseseceeencsesreavsreersecersseessssessssssesseeesseesensese 2 3 Phạm vi nghiÊn CỨU sàn HT HH HH HH HH 3 4 Phương pháp nghiên cứu ẹa5-Ố 3
CHUONG 1 TONG QUAN DONG CO DIEN MOT CHIEU
1.1 Khái quát động cơ điện một chiều 5c neo 4
1.2 Cấu tạo và nguyên lý động cơ điện một chiều 5s ccstcngrrrig 4
1.3 Phân loại động cơ dién m6t CHIU cecceccccsssscssessessecsesseessessessecsesssesscasesseeses 5
1.4 Mơ hình hĩa và khảo sát các đặc tính của động cơ một chiều 6
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET LUAT DIEU KHIEN PID VA DIEU KHIEN DONG CO
PC nh a4 9
2.2 Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID . 55: ll 2.3 Téng hop hệ thống điều khiển động cơ điện một - .-:-555- 13 2.4 Mơ phỏng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ cs-cccccccccc 19 CHUONG 3 DIEU KHIỂN THÍCH NGHI
KRVA€o0i0i.)0E-ccce:YNÀadđadđiidid4 23
3.2 Hệ thống thích nghỉ theo mơ hình mẫu (mra$) - :-.:-55:55sc+ 24
Trang 9vỉ
CHUONG 4 THIET KE BO DIEU KHIEN PID THICH NGHI CHO DONG CO DIEN MOT CHIEU CO MOMEN QUAN TINH THAY DOI Non nh 29 4.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghỉ nọ ntHrrerrrrrre 30 4.3 Do lường tốc độ - +: tt nh erereeriee 31 4.4 Tổng hợp mạch vịng tốc độ -. -ccccntnntrrrrrttireriirrririiirirrirriirrre 32 ca nh 33 4.6 Sơ đồ mơ phỏng - nọ 1mrrrrier 36 4.7 Kết quả mơ phỏng -.:-:2cs tr nh rerrrrree 38 CHUONG 5 THIET KE VA THI CONG MO HINH
Trang 11vili DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình Nội Dung Trang
Hình 1.1 | Mặt cắt ngang trục máy điện một chiêu 4 Hinh 1.2 | Các loại động cơ điện một chiêu 3 Hình 1.3 | Sơ đỗ nguyên lý động cơ điện một chiều 6
Hình 2.1 | Cấu trúc của bộ điều khiên PID 9
Hình 2.2 | Điều khiên hỏi tiếp với bộ điều khién PID 10
Hình 2.3 | Đáp ứng nắc của hệ hở cĩ dạng S H
Hình 2.4 | Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 12
Hình 2.5 | Đáp ứng nắc của hệ kín khi k = ky, 12
Hình 2.6 | Cấu trúc mạch vịng điều chỉnh dịng điện 14
Hình 2.7 | Sơ đồ khơi chức năng 15
Hinh 2.8 | Sơ đỗ khối của hệ điều chỉnh tộc độ l6
Hình 2.9 | Quả trình dịng điện và tốc độ khi cĩ nhiễu tải 17
Hình 2.10 | Mơ hình mơ phỏng hệ thống với hai vịng điều chỉnh 19 Hình 2.11 | Đáp ứng tốc độ với mơmen quán tính là 0.01 kg.mˆ 19
Hình 2.12 | Đáp ứng dịng điện với mơmen quán tính là 0.01 kg.m* 20
¡ Hình 2.13 | Đáp ứng tốc độ với mémen quan tinh 1a 0.5 kg.m* 20
: Hình 2.14 | Mơmen quán tính thay đối 21
Hình 2.15 | Dịng điện phân ứng PID 21
Hình 3.1 | Sơ đỗ khối của hệ thơng thích nghỉ theo mơ hình mẫu 24
Hình 3.2 | Sơ đỗ khối của bộ điểu khiển thích nghỉ theo mơ hình mẫu trực tiếp 25 Hình 3.3 | Sơ đỗ khối của bộ điểu khiển thích nghỉ theo mơ hình mẫu gián tiếp 25
Hình 3.4 | Mơ hình sai số 26
Hình 3.5 | Trạng thái cân bằng 28
Hinh 4.1 | Gian dé xung PWM 29
Trang 12ix
Hình 4.2 | Câu trúc mạch vịng điều chỉnh tốc độ cĩ mạch vịng điều chỉnh dịng điện 31 Hình 4.3 | Câu trúc thu gọn mạch vịng điều chỉnh tốc độ cĩ mạch vịng điêu chỉnh 31
địng điện
Hình 4.4 | Cau trúc khối động cơ 36
Hình 4.5 | Cau trúc khơi thích nghỉ 36
Hình 4.6 | Cấu trúc khối điều khiển 37
Hình 4.7 | Mơmen quán tính thay đơi [0 ~ 0.5] 37
Hình 4.8 | Đáp ứng tốc độ 38
Hình 4.9 | Đáp ứng dịng điện 38
Hình 4.10 | Sai lệch tốc độ thích nghỉ 38
Hình 4.11 | So sánh bộ điều khiển PID với bộ điều khiến thích nghỉ trong trường hợp 39
mơmen quán tính tải JI = 0.01 kg.m”
Hình 4.12 | So sánh bộ điều khiến PID với bộ điều khiến thích nghỉ trong trường hợp 39
mơmen quan tinh tải J1 = 0.05 kg.m?
Hình 4.13 | Kết quả mơ phỏng bộ điều khiến PID khi tốc độ của động cơ thay đơi 40 Hình 4.14 | Kết quả bộ điều khiển thích nghỉ khi tốc độ của động cơ thay đơi 40
Hình 5.1 | Sơ đồ khối mạch điều khiến 42
Hình 5.2 | Sơ đỗ nguyên lý bộ xử lý trung tâm 42
Hình 5.3 | Sơ đồ nguyên lý khơi hiển thị 44
Hình 5.4 | Sơ đồ nguyên lý cơng suất 45
Hình 5.5 | Mơ hình thực tê 46
Hình 5.6 | Lưu đề giải thuật điều khiến vận tốc DC Motor 47 Hình 5.7 | Kết quả thực nghiệm tại t = 0s và t = 11s 49
Trang 14MO DAU
1 Tính cấp thiết của dé tài
Cho đến nay động cơ điện một chiều đĩng một vai trị quan trọng trong ngành cơng nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện một chiều được
ứng dụng rất phổ biển trong các nghành cơng nghiệp cơ khí, ở các nhà máy cán
thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay Robot Để thực hiện các nhiệm vụ trong cơng nghiệp điện tử với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây
chuyển sản xuất, yêu cầu cĩ bộ điều khiển tốc độ
Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là ngành
điện tử học diéu khiển, cơng nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt ra vấn dé địi hỏi là phải nghiên cứu hồn thiện các hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu
ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển khoa học cơng nghệ Việc nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều
dựa trên các lý thuyết điều khiển hiện đại là một vấn đề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiến cuộc sống Để phục vụ cho cơng tác
nghiên cứu, một phương pháp được nhiều nhà khoa học trong và ngồi nước sử
dụng rất nhiêu đĩ là phương pháp điều khiên thích nghi Trong luận văn sử dụng
phương pháp điều khiển thích nghỉ và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mơ hình hố và mơ phơng hệ thống điều khiển
Đối với động cơ điện một chiều, các thơng số thường bị thay đổi làm ảnh
hưởng chất lượng điều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy điện bị bão hịa làm điện cảm mạch phần ứng (L„) của động cơ suy giảm Điện trở mạch phần img (Ry) cua may dién thay đổi theo nhiệt độ làm việc, do đĩ hằng số thời gian mạch phần
ứng T„ = L;/R„ cũng sẽ thay đổi trong quá trình làm việc,với mạch kích từ thì từ
thơng ® cĩ thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thời gian cơ học T, cũng thay đồi
Khi xét đến tai của các hệ truyền động thì mơmen quán tính của tải thường bị
thay đổi, làm cho mơmen quan tinh của hệ qui đổi về trục của động cơ thay đổi
Nếu bằng các phương pháp điều khiển kinh điển thì chúng ta gặp rất nhiều
Trang 15vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khién thích nghi để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan
tâm và là hướng nghiên cứu cĩ nhiều triển vọng, cũng như cĩ nhiều giá trị ứng dụng
trong thực tiễn
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến
trong các hệ điều khiển cơng nghiệp Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các
tham số Kọ, K¡, Kp của bộ điều khiển PID Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển
PID chỉ được tính tốn cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong
quá trình vận hành luơn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để
phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển, thì ta phải biết chính xác các thơng số và
kiểu của đơi tượng cần điều khiển Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính cịn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển
kinh điển khơng thực hiện được
Với các lý do trên, em đã lựa chọn việc Nghiên cứu và thiết kế bộ điều
khiến PID thích nghỉ điều khiển cho động cơ điện một chiều cĩ mơmen quán tính thay đổi làm dé làm đề tài với mong muốn đạt được đáp ứng ngõ ra và các đặc
tính của hệ thống điều khiển thỏa mãn các yêu cầu đã dé ra
2 Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu các vấn để về ứng dụng như điều khiển PID thích nghỉ, xây dựng mơ hình hệ truyền động điện một chiều trên Matlab và Simulink, các mơ hình động cơ điện một chiều, các hàm tối ưu trong Matlab và các tính tốn hỗ trợ các
hàm tối ưu
- Sử dụng cơng cụ tính tốn tìm tối ưu trong phần mềm Matlab, xây dựng mơ
hình vật lý bộ điều khiển PID thích nghỉ điều khiển động cơ điện một chiều tạo đữ
liệu mơ phỏng và kiểm chứng qua thực nghiệm
- Ứng dụng bộ điều khiển PID thích nghỉ để điều khiển động cơ điện một
Trang 163 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đẻ tài là nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiến PID thích nghi để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, xây dựng mơ hình tốn, mơ phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab và thiết kế mơ hình thực nghiệm
4 Phương pháp nghiên cứu
- Xây dựng giải thuật và viết chương trình điều khiến
- Dùng Matlab Simulink để mơ phỏng bộ điều khiển PID thích nghỉ
- Ước lượng hằng số Kị, Kp, Kp và các thơng số trong mơ hình
- Tìm hiểu mơ hình của bộ điều khiển PID thích nghỉ để điều khiển động cơ điện một chiều khi mơmen quán tinh thay đổi
- Tính tốn và mơ hình hĩa cho hệ thống và tiễn hành mơ phỏng trên phần
Trang 17CHƯƠNG 1
TỎNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIEU
1.1 Khái quát động cơ điện một chiều
Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phê biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải cơng suất động cơ một chiều từ vài
W dén hàng ngàn KW Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, cĩ thể đáp ứng yêu
cầu mơmen, tăng tốcvà hãm với tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ giữa mơmen và tốc độ
1.2 Cấu tạo và nguyên lý động cơ điện một chiều
Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện một chiều cũng gồm cĩ
stator và rotor Động cơ điện một chiêu "gồm cĩ stafor, rotor, cơ gĩp và chơi điện N NT | Ny © Be 2 dc, VÀ Sà / “ ầ ` a | TH ¬
Hình 1.1 Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều
Stator: cịn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung
trên các cực từ stator Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuật
điện được dập định hình sẵn cĩ bề dày 0,5+Imm và được gắn trên gơng từ bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy
Rotor: cịn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần
ứng lõi thép phần ứng cĩ hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghép
cách điện với nhau Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các
Trang 18các lá gĩp trên cổ gĩp Lõi thép phần ứng và cỗ gĩp được cố định trên truc rotor
Cổ gĩp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều địng điện trong dây quấn phần ứng
1.3 Phân loại động cơ điện một chiều
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: dịng điện kích từ được lấy từ nguồn
riêng biỆt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, khi từ thơng kích từ được tạo ra
bằng nam châm vĩnh cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích thích bằng
nam châm vĩnh cửu
- Động cơ điện một chiều kích từ song song: dây quấn kích từ được nối song
song với mạch phần ứng
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: dây quân kích từ hỗn hợp cĩ hai
cuộn, dâyquấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp Trong đĩ, cuộn kích từ song song thường là cuộn chủ đạo a} b} c) d) Us, _ Us Lot ed Lod | hy ĐỘ) Hình 1.2 Các loại động cơ điện một chiều
Trang 191.4 Mơ hình hĩa và khảo sát các đặc tính của động cơ một chiều
* Sơ đồ nguyên lý
Điển hình của loại này là động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều khiển bằng điện áp phần ứng Sơ đồ nguyên lý của loại động cơ này được thể hiện hình 1.3,
trong đĩ dịng kích từ iy được giữ khơng đổi
Hình 1.3 sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều
- Tin hiệu vào là điện áp u đặt vào phần ứng, [Volt;V]
Trang 20Mc : là mơmen cản của tải
œ : là tốc độ gĩc của rotor
; là mơmen quán tính của động cơ
Mặt khác, do œ=2Zn (n tính theo vịng/giây), nên ta cĩ thể viết; dn ] —=——.|M„,—M, tomy a Me) (1.5) L5 * Phương trình cân bằng mơmen trên trục động cơ: M=1® + B@œ+M, dt (1.6) Biến đổi Laplace hai về ta được: M(s) = Js@(s) + Bas) + M,(s) M(s) - M,(s) = (Js + B) Xs) a7)
Hệ phương trình khơng gian trạng thái
Từ các phương trình cơ bản trên ta cĩ thể viết hệ phương trình mơ tả khơng
gian trạng thái của động cơ một chiều như sau: di R, 2zKý_ 1 —= + —t aL L L (1.8) dn_ Ke, Vy dt Int ws Hệ phương trình này cĩ hai bién trang thai i va n Các tín hiệu vào là điện áp u
và mơmen cản của tải M,,
Trang 22CHƯƠNG 2
CO SO LY THUYET LUAT DIEU KHIEN PID VA DIEU KHIEN DONG CO
2.1 Giới thiệu
Cấu trúc của bộ điều khiển PID (hình 2.1) gồm cĩ ba thành phần là khâu
khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật tốn
PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đĩ là đặt tham số cho các chế độ đã chọn Một cách tổng quát, cĩ ba thuật tốn cơ bản được sử dụng là P, PI và PID Up ở 1 1 —>| ky — Ts; Te up
Hinh 2.1.Cau tric cua bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID cĩ cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng
rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình 2.2) Bộ
PID cĩ nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trinh quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần uạ(t), tín hiệu điều
chỉnh u(© càng lớn
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thơng qua thành phan ut), PID vẫn cịn
tao tin hiéu diéu chinh
- Nếu sự thay đổi của sai léch e(t) cang lén thi thong qua thanh phan up(t),
Trang 2310 Int 00——im 0ưn >1 ) Controller Plant Hinh 2.2.Diéu khién héi tiếp với bộ điều khién PID Trong hinh vé trén:
- Plant: 1a hé thống cần được điều khiển
- Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, được thiết kế để điều khiến tồn bộ đáp ứng của hệ thơng
Trong đĩ:
- Kp: Độ lợi khâu tý lệ
- K;: Độ lợi khâu tích phân - Kp: Độ lợi khâu vi phân
Biến số (e) đại diện cho sai số giữa giá trị mong muốn (R) và giá trị ngõ ra (Y) Sai số này (e) sẽ được đưa đến bộ điều khiển PID, và bộ điều khiển này sẽ tính tốn cả
vi phân và tích phân của tín hiệu sai số này Tín hiệu (u) sẽ cĩ giá trị như sau:
de
u= Kpe + K, f edt + Koz (2.1)
Tín hiệu (u) sẽ được đưa đến đối tượng điều khiển và ta sẽ thu được một tín hiệu
(Y) mới Tín hiệu này sẽ lại được đưa đến cảm biến dé tính tốn ra sai số mới (e)
Bộ điều khiển lại tính tốn các giá trị vi phân, tích phân của sai số này Quá trình cứ
thế lặp đi lặp lại
Đặc tính của bộ điều khiến P, I và D: Bộ điều khiển tỷ lệ (K;) cĩ tác dụng làm giảm
thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng khơng triệt tiêu, sai số ở trạng thái xác lập (steady- state error)
Bộ điều khiển tích phân (K,) sẽ triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng lại cĩ thê
làm giảm chất lượng của đáp ứng quá độ
Bộ điều khiển vi phân (K,) sẽ làm tăng độ ổn định của hệ thống, giảm độ vot 16 va
Trang 2411 Hàm truyền của bộ điều khiên PID cĩ dạng như sau: Kps2+ Kị+ Kps Ss K Kp ++ Kps= (2.2) 2.2 Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 2.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols:
Phương pháp Ziegler-Nichols là pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ
điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dự vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều
khién Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:
a) Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất:
Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng cĩ đáp ứng đối với tín hiệu vào là
hàm nắc cĩ dạng chữ S (hình 2.3) như nhiệt độ lị nhiệt, tốc độ động cơ
h)
Hình 2.3 Đáp ứng nắc của hệ hở cĩ dạng S
Thơng số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Trang 2512
b) Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai:
Phương pháp này áp dụng cho đối tượng cĩ khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vơ cùng Phương pháp này được thực hiện như sau : vụ e kin ¿| Đi tượng y điều khiên
Hình 2.4 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại hình 2.4
- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới han ky, dé hé kin & chế độ biên giới ơn
định, tức là h(t) cĩ dạng dao động điều hịa - Xác định chu kỳ Ty của dao động hit) 10 80 60 40 - : ĩ Tih 20 0 5 10 15 20 25 30 35 (đt Hình 2.5 Đáp ứng nắc của hệ kín khi k = kụ
Thơng số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Trang 2613
2.3 Tơng hợp hệ thống điều khiển động cơ điện một 2.3.1 Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh dịng điện
Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thì
mạchvịng điều chỉnh dịng điện là mạch vịng cơ bản Chức năng cơ bản của mạch
vịng dịng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định mơmen kéo của động cơ, ngồi ra cịn cĩ chức năng bảo
vệ, điều chỉnh gia tốc
Một phương án đơn giản nhất để điều chỉnh dịng điện cĩ cấu trúc như hình
2.6, dùng bộ điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp R cĩ dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phân hồi dịng điện phi tuyến P Khi tín hiệu dịng điện chưa đủ để khâu phi tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ điều chỉnh làm viêc như bộ điều chỉnh tốc độ (hay
điện áp) mà khơng cĩ sự tham gia của mạch phản hồi dịng điện Khi dịng điện đủ
lớn, khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng hạn chế
dịng của bộ điều chỉnh R,
Phương án thứ hai được mơ tả trên hình 2.6b Cĩ hai mạch vịng với hai bộ
điều chỉnh riêng biệt Rị, Rạ, trong đĩ Rạ là bộ điều chỉnh dịng điện với giá trị đặt Tạ, cấu trúc kiểu này cho phép điều chỉnh độc lập từng mạch vịng
Phương án điều chỉnh dịng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền động
điện tự động như trên hình 2.6c, trong đĩ Rị là bộ điều chỉnh dịng dién, Ra là bộ
điều chỉnh tốc độ Mỗi mạch vịng cĩ bộ điều chỉnh riêng được tổng hợp từ đối
Trang 2714 lục a} Sey ee 7 b ~ Me b) [Me T Rg h Rị _ Sor I Se: ¢) Hinh 2.6 Cdu tric mach vong diéu chinh dong dién 2.3.2 Tơng hợp mạch vịng điều chỉnh tốc độ
Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là
tốc độ gĩc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật
Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dịng điện Các hệ thống này cĩ thể là đảo chiều hoặc khơng đảo chiều Do các yêu cầu cơng
nghệ mà hệ cần đạt vơ sai cấp một hoặc vơ sai cấp hai Tuỳ theo yêu cầu của
cơng nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ Roœ cĩ thể được tơng hợp theo hai tín
Trang 2815 M,(s) M(s) b 1 as) Km Js+B - - (@(S)
Hình 2.7 Sơ đồ khối chức năng
Hàm truyền đạt của động cơ DC với tín hiệu ra vận tơc : Ka Gis) = Ø6) (s+R)Js+B) _ (s)= = = Kn ÚU@G) ¡„ —_ KaK, (Ls+R)(s + B)+ K„K, (Ls+ R)(Js + B) Hay: G(s)= 2 = Km UG) LJs?+(LB+RJ)s+(K„K,+RB) 2.3.2 1 Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ
Ở phần trên ta đã tơng hợp được mạch dịng điện, trong phần này sẽ sử dụng
biểu thức kết quả trong đĩ đã bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động của động cơ: I(p) 1 1
== (2.3)
Via D) Kj 1+ 2Tsp(1+ Tsp)
Do Ts rất nhỏ —>Ts”*0, do vậy để thuận tiện trong tính tốn tiếp theo, ta cĩ hàm truyền của mạch vịng dịng điện:
tp) = 3 —— (2.4)
Uie(pP) Ki "1+ 4Tsp
Sơ đồ khối cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ như trên hình 2.4, trong đĩ Sœ
là sensor tốc độ cĩ hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền Ko và hằng số thời gian (lọc) Tơ Thường To cĩ giá trị nhỏ, khi đĩ đặt 2T”s= 2Ts + Ta, đối tượng điều chỉnh cĩ hàm truyền:
RyKy 1
Trang 2916 Theo tiêu chuẩn tối ưu mơđun, cĩ thể xác định được hàm truyện của bộ điêu chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ: K\K®T, 1 = ` = Ky 2.6
Re(P) RuKy | 2Tsaz Pp (2.6)
Trong đĩ thường lay a, = 4 [Me + Ke HCD Je Ty Gog Va VK; | t R 7 Re 7 FÍTx27.p xerp| T Us Ko Su 1+ ply
Hình 2.8 Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh tốc độ Hàm truyền của mạch vịng điều chỉnh tốc độ là:
w(p) = 1 1 2.7
Uva(P) Ky 4T¿p(2T§p+1)+ 1 (2-7)
Sau đây ta kiểm tra ảnh hưởng của nhiễu phụ tải đến độ quá điều chỉnh và độ
chính xác tĩnh của hệ thống vừa nêu Theo sơ đỗ khối hình 2.8 tính được:
Trang 3017
thơng hở sẽ được giảm đi Te/4T's lần trong hệ kín Trên hình 2.8 mơ tả quá trình
thay đổi dịng điện và tốc độ khi cĩ đột biến nhiễu tải Mạch vịng tốc độ này là vơ sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển và là hữu sai đối với tín hiệu nhiễu
Giá trị của sai lệch tĩnh tuỳ thuộc vào các thơng số trong biểu thức (2.11):
A|, “— =1, (2.11)
a
Hình 2.9 Quá trình dịng điện va tốc độ khi cĩ nhiễu tải
Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI, trong nhiều thiết bị cơng nghệ thường cĩ yêu cầu hệ thống điều chỉnh vơ sai cấp cao, khi này cĩ
thể sử dụng phương pháp tối ưu đối xứng đề tổng hợp các bộ điều chỉnh Với mạch vịng điều chỉnh tốc độ hàm truyền của bộ điều chỉnh cĩ đạng: _ _ 1+Fop Ro(p) = KT 9p (2.12) Hàm truyền mạch hở sẽ là: _ 1+Fop KwyRy 1
Fop) = KTop ' KiK@T, ° p(2Tip+1) (2.13)
Từ (2.13) cĩ thể tim được hàm truyền mạch kín F(p), đồng nhất F(P) với hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm được tham số của bộ điều chỉnh
Nếu chon T’s = Ts thi:
To = 8Ts
KyRy = 8(2T5)?_— = Ku
Trang 3118
K;K@Tc KoRo "AT (1+ 8Típ 1 1 (2.15)
Rw(p) =
Khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp tối ưu đối xứng thường phải dùng
thêm khâu tạo tín hiệu đặt để tránh quá điều chỉnh Khâu tạo tín hiệu đặt này thường
cĩ hàm truyền đạt của khâu lọc thơng thấp bậc nhất, cĩ hằng số thời gian lọc tuỳ thuộc vào gia tốc cho phép của hệ thơng Tất nhiên khâu tạo tín hiệu đặt này phải đặt bên ngồi mạch vịng điều chỉnh tốc độ
Hàm truyền mạch kín của hệ thống:
Uạ() _ 1+ 87", p
F = =
wl P= Tp) 8 Ma, pt 20", py tla (2.16)
Căn cứ vào các biểu thức đã nêu trên ta cĩ thể tính được hàm truyền với
tín hiệu nhiễu loạn là dịng điện tải :
Al(p) _ l+§7,p
+ = =
iP) A/.(p) S7'; p{4T'y pũ +27", p+ ij+l (2.17)
và cũng tính được sai số tốc độ tương ứng khi nhiễu tải cĩ dạng hằng số: ƯƯứ)- 1Ú) m K®T,.p 47 RI 87", p+ 27", p) (2.18) KOT, ST', p[4T, p(+2T', p)+11+1 Aad p)=
Kết quả là, mạch vịng điều chỉnh tốc độ là vơ sai cấp hai đối với tín hiệu
điều khiển và là vơ sai cấp một đối với tín hiệu nhiễu Như vậy khi đã ổn định thì
Trang 3320 ¬ —-— Dong dien (mA) i L i i : L i eo #1 a2 a3 ba 95 ose or en a, 1 ‘Thol gien {9
Hinh 2.12 Dap ung dong dién voi mémen quan tinh la 0.01kg.m? - Trudng hgp mémen quan tinh tai thay déi trong khoang J,=[0:0.5]
es i os i 5 %8 i ar i ae i rT} 3
‘That glen [si]
Trang 3522 107 _Dong dien phen ung PIO JOO ¬ ị ầ s i 8 3s T 2 ©° A ‘ 2 i i i i i s + + 3 s $ 5 : ° $ +
‘Troi gien [a]
Hình 2.16 Dịng điện phân ứng PID
Kết luận
Khi sử đụng các bộ điều khiển trong hai mạch vịng của hệ thống trong trường
hợp mơmen quán tính động cơ khơng thay đổi tốc độ động cơ đạt được đến tốc độ
đặt, hạn chế được dịng mở máy của động cơ Hệ thống điều khiển động cơ cĩ hai
vịng điều chỉnh cĩ khả năng ổn định được tốc độ khi tải thay đổi Do đĩ ta thấy các
bộ điều khiển đã chọn đáp ứng được yêu cầu khi thiết kế
Trong trường hợp khi mơmen quán tính động cơ thay đổi thì thời gian đáp ứng
Trang 3623
CHƯƠNG 3
DIEU KHIEN THICH NGHI
3.1 Giới thiệu chung
Trong các hệ điều khiển thường khơng biết giá trị chính xác các tham số của hệ
thống, các tham số của hệ thống bị thay đổi sau một thời gian sử dụng, hay khơng
cĩ đủ thơng tin về các tham số đĩ Khi đĩ các phương pháp điều khiển cỗ điển
khơng áp dụng được hoặc cho các kết quả điều khiển khơng chính xác Để giải quyết vấn để này đã xây dựng nên lý thuyết điều khiển thích nghỉ
Thích nghỉ là quá trình thay đổi thơng số và cấu trúc hay tác động điều khiển
trên cơ sở lượng thơng tin trong quá trình làm việc với mục đích đạt được một trạng
thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thơng tin ban đầu cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi
Các hệ thống điều khiển thích nghi được ứng dụng trong các lĩnh vực địi hỏi độ chính xác cao như trong lĩnh vực hàng khơng, điều khiển robot, cịn trong các mạch
điều khiển động cơ thì ứng dụng điều khiển thích nghỉ là nhằm tự động chỉnh định
các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển để thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ thống như mong muốn khi thơng số của quá trình được
điều khiển khơng biết trước hay thay đổi theo thời gian Phân loại hệ thống điều khiển thích nghỉ:
—_ Điều khiển thích nghi trực tiép (direct adaptive control): trong thuật tốn các
tham số của bộ điều khiển được xác định sao cho đáp ứng của hệ thơng giống với đáp ứng của một hệ thống mẫu là thuật tốn điều khiến
+ Phuong pháp gradient (trường hợp riêng là luật MIT)
+ Phuong phap str dung ham Lyapunov
+ Một số phương pháp cho hệ SISO
(J Điều khiển thích nghỉ gián tiép (indirect adaptive control): đầu tiên thực hiện việc nhận dạng đối tượng (Identification), sau đĩ tìm các thơng số của bộ
điều khiển cho hệ thống vừa nhận dạng Bộ điều khiển như vậy gọi là bộ điều
Trang 3724
Hệ thống điều khiển thích nghi gồm cĩ hai vịng: vịng hồi tiếp thơng thường và vịng hồi tiếp điều khiển thích nghỉ
3.2 Hệ thống thích nghỉ theo mơ hình mẫu (mras)
Trước hết sự thực hiện của hệ thống được xác định bởi một mơ hình, thứ hai sai số của bộ điều khển được hiệu chỉnh bởi sai số của mơ hình mẫu và hệ thống Cấu trúc hệ thống điều khiển hình 3.1 gọi là hệ MRAS song song Mơ hình dụàn [T—— CĨ Bộ điều Dai meng khiến
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thơng thích nghỉ theo mơ hình mẫu
Mơ hình mẫu được chọn để tạo ra một đáp ứng mong muốn đối với tin hiệu đặt
Yym mà ngõ ra của hệ thống y phải bám theo Hệ thống cĩ một vịng hồi tiếp thơng
thường bao gồm đối tượng và bộ điều khién Sai lệch bám e là hiệu của ngõ ra hệ
thống và ngõ ra của mơ hình mẫu ( e = ya-y) Bộ điều khiển cĩ thơng số hay đổi
dựa vào sai số này, hệ thống cĩ hai vịng hồi tiếp: vịng hồi tiếp trong là vịng hỗi tiếp thơng thường và vịng hồi tiếp ngồi hiệu chỉnh tham số cho vịng hồi tiếp bên
trong, vịng hồi tiếp bên trong được giả thiết là nhanh hơn vịng hỏi tiếp bên ngồi
Hệ thống thích nghỉ mơ hình mẫu cĩ thể được phân thành hai loại: trực tiếp và gián tiếp Trong bộ điều khiển loại trực tiếp (DMRAC: Direct Model Adaptive Control) vectơ tham số 6 của bộ điều khiển C(6) được cập nhật trực tiếp bởi một luật thích nghi, ngược lại trong bộ điều khiển gián tiếp (IRMAC: Indirect Model
Adaptive Control) 8 được tính tốn tại mỗi thời điểm t bằng cách giải phương trình đại số nào đĩ cĩ mối quan hệ của tham số 6 với sự ước lượng trực tuyến các tham
Trang 3825 Mơ hình
Bộ điều Đi tượng
Trang 3926
3.3 Luật thích nghi 3.3.1 Giới thiệu
Bộ điều khiển thích nghi cĩ thể được xem như là sự kết hợp của một bộ ước
lượng các tham số trực tuyến và một luật điều khiển mà nĩ nhận được từ trường hợp tham số đã được biết rõ Sự kết hợp này làm xuất hiện nhiều kiểu ước lượng tham
số và luật thích nghỉ cho các bộ điều khiển khác nhau với các tính chất khác nhau Trong các tài liệu nghiên cứu về điều khiển thích nghỉ, bộ ước lượng tham số
thường được xem như gồm luật thích nghị, luật cập nhật và cơ cấu hiệu chỉnh tham
số Việc thiết kế luật thích nghỉ sẽ quyết định đến các tính chất ổn định của bộ điều
khién thích nghỉ Một vài phương pháp cơ bản được sử dụng để thiết kế luật thích
nghỉ là: luật MIT, hàm Lyapunov xác định dương, phương pháp gradient và phương
pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai lệch bám 3.3.2 Phương pháp độ nhạy (luật MIT)
Phương pháp độ nhạy được sử dụng để thiết kế luật thích nghỉ sao cho các tham
số ước lượng được điều chính theo hướng tối thiếu hĩa một hàm đặc tính nào đĩ Luật thích nghi được cho bởi đạo hàm riêng của hàm đặc tính với các tham số đánh
giá tương ứng nhân với sai số giữa đáp ứng mong muốn và đáp ứng thực tế 36 0= hà 30 e cay _ oe 8 = A ` A s y (11 XS + - > Hình 3.4 Mơ hình sai số
Luật MIT cĩ thể được giải thích như sau: giả sử các thơng số 6 thay đổi chậm hơn nhiều so với các biến các khác của hệ thống, để bình phương sai số là bé nhất
cần thay đơi các tham số theo hướng gradien âm của bình phương sai số
Việc sử dụng hàm độ nhạy ước lượng để cĩ thể thực hiện được dẫn đến các sơ đỗ điều khiển thích nghỉ mà tính ổn định của nĩ rất thấp hoặc khơng thẻ thiết lập
Trang 4027
Luật MIT chỉ được thực hiện tốt nếu độ lợi thích nghỉ y là nhỏ, độ lớn của y phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu mẫu và độ lợi của đối tượng Vì vậy khơng thể
cĩ một giới hạn an tồn, do đĩ luật MIT cĩ thể cho một vịng kín khơng an tồn
Chính vì sự thiểu ổn định của luật MIT cho nên tìm ra các phương pháp khác để thiết kế luật thích nghi như phương pháp Lyapunov hoặc phương pháp gradient và bình phương nhỏ nhất sai số [6]
3.3.3 Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá hàm chỉ phí sai số
Phương pháp Gradient và các hàm chỉ phí được sử dụng cho việc triển khai luật thích nghỉ để ước lượng các tham số quan tâm 9 trong mơ hình tham số Phương pháp gradient bao gồm việc khai triển một phương trình sai số ước lượng đại số làm động cơ thúc đây việc lựa chọn một hàm chỉ phí gần đúng J(6) và nĩ là một hàm lỗi
trong tồn bộ khơng gian của 6()
Phương pháp này là xác định một mơ hình tốn học với một chuỗi các dữ liệu
quan sát bằng cách cực tiêu hĩa tổng bình phương của các hiệu số giữa đữ liệu quan
sát và đữ liệu tính tốn Trong cách làm như vậy thì nhiễu và sự khơng chính xác trong dữ liệu quan sát được hy vọng là khơng ảnh hưởng đến độ chính xác của mơ hình tốn học Phương pháp bình phương bé nhất được sử dụng rộng rãi trong việc ước lượng tham số trong cả hai dạng hồi qui và khơng hồi qui Phương pháp này thì
đơn giản trong việc áp dụng và phân tích trong trường hơp các tham số chưa biết xuất hiện trong dạng tuyến tính
3.3.4 Hàm Lyapunov
Trong phương pháp này, lý thuyết về sự ổn định của Lyapunop cĩ thể dùng để thiết kế luật thích nghỉ, đảm bảo sự ổn định cho hệ thống vịng kín Do đĩ sơ đồ điều khiển thích nghỉ dựa trên lý thuyết én định Lyapunov khơng gặp những trở ngại như sơ đỗ sử dụng luật MIT