THIẾT KẾ, BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TRÊN CƠ SỞ DỰ BÁO TÍN HIỆU ĐẦU RA
3.3. Bộ điều khiển PID sử dụng giá trị dự báo tín hiệu đầu ra 1 Khái quát bộ điều khiển PID.
3.3.1. Khái quát bộ điều khiển PID.
Từ khoảng thập kỷ năm mươi của thế kỷ hai mươi, bộ điều khiển PID và các dạng khác của nó là PI, P đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Đến thập niên tám mươi của thế kỷ hai mươi, cho dù có nhiều phương pháp điều khiển mới được đưa ra như điều khiển dự báo theo mô hình(Model Predictive Control), điều khiển mờ (Fuzzy logic control), v.v…Nhưng vai trò của bộ điều khiển P/PI/PID vẫn không giảm sút nhờ có cấu trúc đơn giản, tính bền vững, cũng như có nhiều phương pháp thiết kế mạnh.
Cho đến nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, bán dẫn,vi xử lý và tin học, rất nhiều hãng sản xuất thiết bị đo lường và điều khiển đã tích hợp thuật toán điều khiển PID vào sản phẩm của họ. Ta có thể thấy điển hình như các bộ điều khiển nhiệt độ, bộ điều khiển áp suất, bộ điều khiển vị trí…, tuy nhiên thực tế là, do các bộ điều khiển này được sản xuất đồng loạt, các đối tượng điều khiển mặc dù thuộc cùng một lớp đối tượng nhưng lại có tham số rất khác nhau, vì vậy tham số của các bộ điều khiển PI/PID không thể được cài đặt trước phù hợp cho mọi đối tượng.
Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ
Vũ Văn Sáng – CB110337 36 Điều khiển và Tự động hóa Thậm chí, khi lắp đặt bộ điều khiển trong thực tế ta cũng không dễ gì cài đặt được các thông số phù hợp cho bộ điều khiển theo yêu cầu bài toán. Điều này đặt ra vấn đề phải chỉnh định lại tham số của các bộ điều khiển PI/PID sau khi lắp đặt hoặc thậm chí trong quá trình vận hành của hệ thống.
Cấu trúc của bộ điều khiển PID được thể hiện trên hình 3.3 gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau nó là đặt tham số cho các chế độ đã chọn. Một cách tổng quát có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID
Bộ điều khiển PID làm việc theo nguyên lý sau:
Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển PID.
Bộ điều khiển PID có 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 3.4). Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up t , tín hiệu điều chỉnh
u t càng lớn.
- Nếu sai lệch e(t) vẫn khác 0, thì thông qua thành phần u tI , bộ điều khiển vẫn tạo tín hiệu điều chỉnh.
Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ
Vũ Văn Sáng – CB110337 37 Điều khiển và Tự động hóa - Nếu tốc độ biến đổi của e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD t , bộ điều
khiển đưa tín hiệu điều chỉnh càng lớn.
Hình 3.4 – Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID.
- Luật điều khiển PID được mô tả trên miền thời gian như sau: 0 1 t p D I de t u t k e t e d T T dt ( 3.5) Trong đó:
- e t là tín hiệu đầu vào (sai lệch điều khiển), - u t là tín hiệu đầu ra (tín hiệu điều khiển), - kp là hệ số khuếch đại,
- TI là hằng số thời gian tích phân, - TD là hằng số thời gian vi phân
- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID được viết như sau:
1 1 C p D I G s k T s T s hay I C p D k G s k k s s (3.6)
Các tham số kp,T TI, D hay kp,k kI, D là các tham số phải hiệu chỉnh để hệ kín đạt chất lượng mong muốn.
Từ khoảng hơn hai thập kỉ qua, rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã đề xuất những phương pháp tính toán, chỉnh định tham số của bộ điều khiển PI/PID cả trong lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tế. Các nhà sản xuất thiết bị đo lường và điều khiển ngày nay cũng đã đưa thuật toán tự chỉnh định tham số PID tích hợp sẵn trong các sản phẩm thiết bị điều khiển có cài đặt thuật toán điều khiển PID của họ và
Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ
Vũ Văn Sáng – CB110337 38 Điều khiển và Tự động hóa đem lại hiệu quả đáng kể trong các ứng dụng thực tế, giảm bớt công sức của người tích hợp hệ thống và có được chất lượng điều khiển chấp nhận được.