Xây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điện (Khóa luận tốt nghiệp)

Xây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điệnXây dựng các bộ điều khiển truyền thống dùng cho các hệ thống truyền động điện

ph Alexandra, Ai C c công nguyên hay thi t b u khi n v n

t c (flyball governor) do James Watt phát minh vào cu i th k 18 Nhu c u

u khi n t c bi t phát tri n m ng phát minh m i

v n t , công ngh bán d n và công ngh máy vi tính trong th k20.Nh ng h th u khi n t ng có nhi u lo i khác nhau ph thu c vàocách phân lo i N u phân lo i theo cách th c v n hành và chuy

ng chúng ta có th phân chia thành h th ng c (mechanical systems),

h th ng th y l c h c (hydraulic systems), h th

h th n t (electric and electronic systems), h th u khi n

k t h p gi a các lo i trên Nh ng h th u khi n t ng ngày nay ph

bi là nh ng h th n t N u phân chia nh ng h th ng

n t theo lo i tín hi u, chúng ta có h th u khi n tín hi u liên

t c (analogue control systems) và h th u khi n s (digital controlsystem) hay còn g i là h th u khi n b ng máy tính(computer-basedcontrol systems) Xu th chung ngày nay ngày càng xu t hi n nhi u h th ng

u khi n b ng máy tính

Lý thuy u khi n hi i, công ngh thông tin (ph n c ng, ph n

m m, k thu t m ng, k thu t giao di n và k thu t không dây) công nghbán d n và công ngh t o h th ng chip kh trình (programmable system on a

ra nh ng m i trong vi c thi t k h th u khi n t

ng dùng cho công nghi i s ng hàng ngày H th ng v tinh

d ng toàn c u GNSS (Global Navigation Satellite System) cùng v i các

v tinh vi n thông (Telecommunication Satellites) ngày càng mang l i nhi u

ng d ng thi t th c trong vi c phát tri n h th u khi n t ng dùngtrong nhi c khác n chính xác cao

c s ng d n t n tình c a GS.TSKH Thân Ng c

các th y cô giáo trong b n t ng công nghi t tay vàonghiên c u và th c hi n ng các b u khi n truy n th ng

ng d tài g m nh ng n i dung chính sau:

Các b u khi n dùng trong h th ng t ng

Các m ch khu i thu t toán

Xây d ng các b u khi n truy n th ng dùng cho các h

CÁC B U KHI N DÙNG TRONG H TH NG T NG

1.1 KHÁI NI M.

M t b u khi n vi tích phân t l (b u khi n PID) là m

ph n h u khi n (b u khi n) t c s d ng r ng rãitrong các h th u khi n công nghi p b u khi c s d ng

ph bi n nh t trong s các b u khi n ph n h i M t b u khi n PIDtính toán m t giá tr "sai s " là hi u s gi a giá tr bi i và giá

tr t mong mu n B u khi n s th c hi n gi m t b ng cách

u ch nh giá tr u khi u vào Trong t ng h p không có ki n th c

n v quá trình, b u khi n PID là b u khi n t t nh t Tuy nhiên,

c k t qu t t nh t, các thông s PID s d ng trong tính toán ph i

u ch nh theo tính ch t c a h th ng-trong khi ki u khi n là gi ngnhau, các thông s ph i ph thu c thù c a h th ng

Gi i thu t tính toán b u khi n PID bao g m 3 thông s riêng bi t,

do c g u khi n ba khâu: các giá tr t l , tích phân

và o hàm, vi t t t là P, I, và D Giá tr t l ng c a sai s hi n

t i, giá tr ng c a t ng các sai s quá kh , và giá tr

ng c a t bi i sai s T ng ch p c a ba tác

u ch nh quá trình thông qua m t ph n t u khi

v trí c u khi n hay b ngu n c a ph n t gia nhi t Nh v y, nh nggiá tr này có th làm sáng t v quan h th i gian: P ph thu c vào sai s

, d a vào t i hi n t i

B u ch nh 3 h ng s trong gi i thu t c a b u khi n PID

b u khi n có th dùng trong nh ng thi t k có yêu c c bi ng

c a b u khi n có th c mô t i d nh y sai s c a b u

khi n, giá tr mà b u khi n v t l t và giá tr ng c a h

ng vi phân khá nh i v i các nhi ng, trái l i n u thi u giá

tr tích phân có th khi n h th c giá tr mong mu n

Trong Kp là h s khu ch i c a quy lu t Theo tính ch t c a khâukhu ch i (hay khâu t l ) ta th y tín hi u ra c a khâu luôn luôn trùng pha

v i tín hi u vào u này nói lên m c a khâu khu ch i là có tác

ng nhanh Vì v y, trong công nghi p, quy lu t t l làm vi c n nh v i

m i i ng Tuy nhiên, c m b n c a khâu t l là khi s d ng

v i các i t ng h th ng u khi n luôn t n t i sai l ch gigiá tr sai l ch thì ph i h s khu ch i khi tính dao ng

c a h th ng s lên và có th làm h th ng m t n nh

Trong công nghi p, quy lu t t l ng c dùng cho nh ng h th ngcho phép t n t i sai l ch gi m sai l ch quy lu t t l ng chình thành theo bi u th c:

m làm vi c c a h th u khi n luôn

gi cho tín hi u khi i xung quanh giá tr này khi xu t hi n sai

l i mô t u khi n v i các h s Kp khác nhau

Khi t gi m xu i t t thì tín hi u ra u c a b u

m t giá tr thu c vào các tham s c a h th ng

a Sai l

i v i quy lu u ch nh P, khi t c ng v i t

b kéo gi m xu ng Vì v y, mu n u 0 thì e ph i luôn có m t sai l ch gi a tín hi t và tín hi u ra th c t c a tín hi u

u ch ng c a h th ng b i hai tham s KP và KI.

b u khi n n t c a m ch ph c ch n sao ch r t l n hàm truy n c a m ch ch m c c g n b ng không Hàm truy n

ng c a hàm truy n c a b u khi n PI

Hình 1.2: M ch c a khâu hi u ch nh PI.

h th ng v ng nhanh, v a tri c sai l

sai l ch gi a giá tr mong mu n so v i giá tr ra th c t khi h th ng tr ngthái xác l i ta k t h p quy lu t t l v i quy lu t o raquy lu t t l - tích phân

Tín hi u khi nh theo công th c:

- Kp là h s khu i

Hàm truy n c a quy lu t t l tích phân có d ng:

c tính pha t n :

Tínhi u ra ch m pha so v i tín hi u vào m t góc trong kho ng t

-n 0 ph thu c vào các tham s Kp, Tivà t n s tín hi u vào

u khi n kéo dài và không có sai l

u khi n

Trong th c t , quy lu u khi c s d ng khá r

c ch ng cho h u h t các quá trình công ngh Tuy nhiên, do có

ng có nhi ng liên t c mà h th u khi n l chính

V y làm th tri t tiêu sai l

Câu tr l i là ph u khi n c n khi nào sai l ch

b ng 0 thì gi nguyên giá tr u khi

Gi s t i th m k = n sai l ch ek i,n= ui,n- 1

(r i ui,n+1 ui,n i,ks i n a khi ek= 0

ui,1= Kie1+ ui,0= 0.25 800 + 0 = 200

u ra y c a nó ti p t n e b u gi m

T i th m t = 2 gi s y2 = 500 thì e2= r y2= 1000 500 = 500 vàtín hi u ra c a b u khi n s là :

ui,2= Kie2+ ui,1= 0.25 500 + 200 = 125 +200 = 325 (giá tr ui,1=200 c a

T i th m t = 3 gi s y3= 800 thì e3 = r y3 = 1000 - 800 = 200 và tín hi u ra c a b u khi n s là :

ui,3= Kie3+ ui,2= 0.25 200 + 325 = 50 + 325 = 375

giá tr ui,2 = 325 c a chu k u khi c c u

ra y ti p t

T i th m t = 4 gi s y3 = 900 thì e4= r y4= 1000 900 = 100 vàtín hi u ra c a b u khi n s là :

ui,4= Kie4+ ui,3= 0,25 100 + 375 = 25 + 375 = 400

(giá tr ui,3 = 375 c a chu k u khi c c u

ra y ti p t

1000 thì e5= r y5= 1000 1000 = 0 và tín hi u ra c a b u khi n s là :

ui,5= Kie5+ ui,4= 0,25 0 + 400 = 400

(tín hi u ra c a b u khi c gi nguyên giá tr ui,4= 400 c a chu

m t th m nào n u sai l ch l i khác 0 thì tín hi u ra c a b u khi n l i

ti p t i nh u ra bám theo tín hi t

ng ch m

Vi c "thêm, b t" nói trên làm cho ek nh d n và giá tr "thêm, b t" Kiek

h b ng v i giá tr t hay ek = 0 Khi Ki càng l u ra càng

n giá tr g n v i giá tr mong mu t"cho giá tr sai l ch ti n v 0 l i di n ra càng châm, làm cho th ukhi n kéo dài C m" ti n v giá tr t ch còn t i th i

ng c a khâu I v n bám r t nhanh t i giá tr t n u Ki l n

ng trình vi phân có d

Hàm truy n c a b u khi n PID nói trên s là:

Thành ph n t l (KP) c a b u khi n PID có tác d c

l p Thành ph n tích phân (KI) có th làm tri t tiêu sai s tr ng thái xác l p,

làm n hi u su t nh t th i theo chi ng không

nh ng quá trình quá ph c t có th thi t l c các mô hình toán h c

ng là các quá trình phi tuy n Trong nh ng

h i ba tham s KP, KI và KD c a b u khi u ch nh,chúng ta v n có th hy v c hi u su t mong mu n cho h th ng màkhông c n th c hi n nhi c phân tích và thi t k ph c t p

1.4.2 u ch nh PID

rãi trong công nghi u khi n nh ng quá trình ph c t thi t

u khi n PID là m t ki u khi n có h i ti p, i

ng v i s sai l ch gi a tín hi u ra so v ng mong mu n Tùy theo m i ta có th ch áp d u khi u khi n PI,

u khi n PD ho u khi n PID

Hình 1.5: Mô hình thu t toán PID

tác ng c a quy lu t PI, trong thành ph n c i

ta ghép thêm thành ph n vi phân và nh c quy lu u khi n t l vi tích

u khi c tính toán theo công th c:

c tính pha t n :

lu t t l Quy lu c yêu c u v ch ng c a h u h t các quy trình công ngh c hi u ch nh cáctham s c a nó r t ph c t p,

i s d ng ph i có m nh t nh Vì v y, trong công nghi p, quy lu t PID ch s d ng nh n thi t, khi quy lu t PI không

- Hình 1.6.e th hi n sai l ch u khi n c a quy lu t PID Quy lu t PID

có t ng nhanh và làm gi m sai l

Minh h a sai l ch u khi n v i các lu t u ch nh

1.4.3.Qui lu u ch nh PID

Rõ ràng vi c ph i h c tính P, I, và D s cho chúng ta kh nthi t k c m t b u khi n PID phù h p v ng c ukhi n khác nhau

ng h p này, n u thay vì s d ng b u ki n ki u PD ta s

d ng m t b u khi n ki u PI thì tín hi u ra c a khâu vi phân s liên t c

c c ng d n làm cho tín hi u ra c a b u khi n ngày càng l n và có

nên có th x ng h p sai l ch gi a giá tr t so v i giá tr th c có th

di n ra trong th i gian dài Ví d , nhi t là 850c, nhi hi n t i c a

ng là 350c và gi s ph i gia nhi t h t công su i sau 15phút thì nhi m t yêu c u

Chú ý là tín hi u ra c a khâu I ui,k = Kiek + ui,k-1 c c ng d n liên t c

do chu k u khi ng r t nh (ch c vài ch c ms ch ng h n) K t qu

là tín hi u ra c a khâu I c t quá kh a m ch công

su t ch v n còn l n nên khâu I v n ti p t c c ng d n

Vì v y, v i b u khi i ta có th còn c n ph i thi t

k thêm m t ph ch ng l i hi c g i là anti windup

Trong ví d này, n u thay vì s d ng b u ki n ki u PI ta s d ng

m t b u khi n ki u PD thì tín hi u ra c a khâu D ud,k = Kd(ek ek-1) s có giá tr không l n, phù h p v i m n d n c a nhi u ra

i v ng ch m thì s d ng các b

u khi n ki ng nhanh) là phù h p

Nói chung, d a trên các phân tích trên có th th y r ng vi c s d ng

m t b u khi n ki u PID và ch c các tham s phù h p thì có th

c nhu c u khi n cho nhi u lo ng khác nhau

K t lu n:

Các thành ph n P, I, và D trong b u khi n PID (s t

c th u khi n bám (theo giá tr t), thành ph n

t l P ph n ng l i ngay v i sai l ch, không c n "nh

th nào, nh v y mà nó t ng nhanh và k p th i Thành ph n tíchphân I là thành ph n "có nh i giá tr u khi n c a vòng l c

l n c a sai s quy t o ra tín hi u khi n cho vòng l p ti p theo

nh c" u khi n v u" khác nhau N u ph i h p t t s t o ra

m t b n nh n và êm ái Còn n u ph i h p không khéo thì s

t o ra m t b n nh c u n éo, gi t c c v u khó có th bi c

2.1.1.Khái ni m

c g i t t là op-amp là m t m ch khu i m t chi u n i t ng tr c ti p

và m t s thi t k cho phép m n ch c tình tr ng ng n

c g i t t là op-amp là m t m ch khu i m t chi u n i t ng tr c ti p

b thay th b ng m ch 741, m ch này có nh ng ti n ích t nh

các phiên b n khác c a m n ti p t c th a nh n con s ban

u là "741" Nh ng thi t k t c gi i thi u, m t s d a trêntransistor hi u ng FET (cu i th p niên 1970) và transistor hi u ng

ng có c u th p niên 1980) R t nhi u nh nglinh ki n hi i này có th thay th c cho các m ch s d ng 741, mà

Các m ch khu i thu ng có nh ng thông s n m trong

nh ng gi i h n nh nh, và có nh ng v ngoài tiêu chu n, cùng v i ngu n

n cung c p tiêu chu n Chúng có r t nhi u ng d n t ;

ch c n m t s ít linh ki n bên ngoài nó có th th c hi n c m t d i r ng cáctác v x lý tín hi R t nhi u m ch khu i thu t toán tính h p

có giá ch ch ng vài cent n u mua v i s ng v a ph i, trong khi nh ng

m ch khu i tích h p ho c r i r c v i nh ng thông s k thu t không tiêuchu n có th n c 100 dollar n t hàng s ng ít

2.1.2.Nguyên lý ho ng

u vào vi sai c a m ch khu i g u vào

o, và m ch khu i thu t toán th c t s ch khu i hi u s

Trong h u h ng h u ra c a m ch khu i

v ng này g i là h i ti p âm N u t l này b ng 0,

u vào c a m ch khu i thu ng khi tính toántrong vòng h i ti p có th mô ph ng b ng m t khâu nullator, ngõ ra v i m tkhâu norator và k t h p c 2 ( m t m ch khu i thu ng hoàn

- T ng tr vào h u h u này s t o ra gi i h n trên cho vi c tính

n tr trong m ch h i ti p M t s m ch khu i thu t toán có

m ch b o v u vào ch u này làm cho m t vài thông s uvào tr nên x t s m ch khu i thu t toán có c 2 phiên b n: có

cùng v i m c tín hi u này có th ng trong các m ichính xác cao v m t m t chi u, ho c khi tín hi u vào quá nh Nhi u thi t

u vào Các thi t k hi ch t ng tri n áp bù

- l ng pha: M t m ch khu i thu t toán hoàn h o ch

ng không hoàn h o khi n cho nó có th khu i các tín hi

ng th i c u vào m t chút ít Thông s tiêu chu

ng này là h s tri t tín hi ng pha (ho ng th i) common-moderejection ratio (vi t t t là CMRR) Gi m thi u h s u r t quan tr ng

khu i l n

- Hi u ng nhi t: T t c các thông s c a m ch khu i thu t toán b

ng do nhi trôi nhi t c c bi t quan tr ng

b Nh ng sai l nh v m t xoay chi u

- u h n: T t c các m ch khu

h u h n H n ch này s gây ra nh ng v cho m ch khu i thu t

c h t kèm theo s h n ch v khác bi t v pha

gi u ra S l ch pha này có th ng trong m t s

m ch h i ti p M ch bù tr t n s dùng trong m t s m ch khu i thu t

d ng v i các ki u h i ti p khác nhau Th nhì, h th làm

tr ng th i gi tuy n tính c c tuy n t n s pha

- u vào: R t quan tr ng trong các ng d ng cao t n vì nó

- H s khu ng pha: Xem ph n nh ng sai l ch v m t m tchi u bên trên

c Nh ng sai l ch do phi tuy n.

- u ra s b gi i h n tr s th p nh t và cao nh t

là do nh ng gi i h n c a t ng xu t Xem ph n T ng xu n

tr , và t ng tùy thu c vào:

ng h p m ch khu i thu t toán s d ng ngu ng

d c c u ra m ch khu n dung ký sinh bên trong

m ch khu c bi t là nh ng m ch có h tr m ch bù t n s bên trong

- Hàm truy n phi tuy n áp ra có th s không t l chính xác v i

u này sinh ra méo d ng n u vào là m t tín hi u có

d ng sóng ng c a nó s r t bé trong các m ch có s d ng h i ti p âm

d Nh m t công su t

Th c các m ch khu i thu c thi t k sao cho gi i

bên ngoài không b ng

Gi i h n công su t tiêu tán: M t m ch khu i thu t toán là m t

l i, và không v ph n c p ngu n này V trí c u vào không

o có th hoán chuy n cho nhau khi c n thi p ngu n

c l i

2.1.5 ng d ng trong h th n t

S d ng m ch khu i thu t kh i m n s ddàng và sáng s u so v i vi nh t t c các thông s

c a các ph n t trong m n tr , vv ), cho dù m ch khu ch

i là m ch tích h p hay linh ki n r i Nh ng m ch khu i thu u tiên có th c s d n u nó là m t kh i khu i vi sai th c s

có l l n Trong các m ch sau này, nh ng gi i h n c a các t ng khu ch i s t vào nh ng d i thông s c a m i m ch

Vi c thi t k m c ti n hành theo m t s trình t gi ng nhau cho

m i m ch Nh c tính s c v nh ra nh ng gì mà m ch ph i

th c hi n, v i nh ng gi i h n cho phép Thí d l i có th c n là 100 l n,

m t ph c; t ng tr u vào không nh

M t m c thi t k ng v i s tr giúp c a các công c

mô ph ng trên máy tính Nh ng m ch khu i thu t toán thông d ng và các linh ki n khác s c ch n l a sao cho phù h p v i nh ng yêu c u c a

m ch và n m trong sai s cho phép v i giá c h p lý N t t t ccác yêu c u c a m ch, các giá tr có th i

m t chi u n m trong kho ng t n 1.000.000 Tr s l n chocác ng d l nh b ng h i ti p âm Các m ch khu ch i thu t toán có nh ng gi i h n s d i thi t k c n ph i nh rõ và

khi ph i làm vi c v i chúng Khi thi t k c th m t nh có th x y ra trong các m ch khu i m t chi u n u các thành ph n xoay chi u b b qua.

c n i trong m t vòng h i ti p âm, m ch khu i thu t toán s

2.2 NG D NG M CH KHU I THU T TOÁN.

Ph n này nêu lên m t s ng d ng tiêu bi u c a các linh ki n tích h p