III. Sử dụng SIMULINK trong mô phỏng các hệ động lực
2. Chức năng và thao tác trên các khối thông dụng
2.4 Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ PID (phương pháp Ziegler – Nichols).
PID (phương pháp Ziegler – Nichols).
1.Mục đích.
Khảo sát mô hình điều khiển nhiệt độ dùng bộ điều khiển PID, các thông số của bộ PID được tính theo phương pháp Ziegler- Nichols. Từ đó so sánh chất lượng của hệ thống ở 2 bộ điều khiển PID với bộ điều khiển ON-OFF.
2.Nguyên lý điều khiển tuyến tính:
Khác với nguyên lý on-of chỉ có hai giá trị công suất ở đầu ra, sơ đồ điều khiển tuyến tính cung cấp công suất cho tải thay đổi một cách liên tục theo sai lệch giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực. Bộ hiệu chỉnh xử lý tín hiệu sai
lệch đặt - phản hồi, cho ra tín hiệu điều khiển làm sai lệch tiến về zero với đặc tính quá độ mong muốn. Như vậy ở chế độ xác lập, nhiệt độ lò và công suất cung cấp cho lò sẽ có một giá trị xác lập, phụ thuộc vào đặc tính hệ thống.
Chất lượng hệ thống như vậy sẽ phụ thuộc vào thông số của sơ đồ hiệu chỉnh. Một trong những nguyên lí hiệu chỉnh thường dùng là PID (vi phân tích phân tỉ lệ), và trong bài thí nghiệm ta dùng P (điều khiển tỉ lệ) vì không thể thực hiện các thời hằng của mạch vi tích phân (ở đây có trị số khá lớn) bằng mạch analog.
Như vậy, khâu hiệu chỉnh chỉ là mạch khuếch đại có hệ số thích hợp, dung hoà giữa độ chính xác và chất lượng quá độ vì nếu tăng hệ số khuếch đại, sai số sẽ giảm nhưng sẽ xuất hiện dao động và vọt lố ở ngõ ra.
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tuyến tính như sau:
Hình 1.23. Sơ đồ hệ thống điều khiển tuyến tính
HC: hàm truyền bộ hiệu chỉnh, trong thí nghiệm này chỉ là bộ khuếch đại.
Phương pháp điều khiển công suất được dùng là điều rộng xung. Tải sẽ nhận công suất trong khoảng T của chu kì T không đổi. Côngon suất trên tải có thể điều khiển được bằng cách thay đổi độ rộng xung tương đối a: A=T /T. on Và công suất cung cấp cho tải : P=a*P . max Pmax: công suất cực đại ứng với trường hợp a=1, khi phần tử điều khiển công suất là TRIAC đóng mạch liên tục.
Vì TRIAC chỉ ngắt mạch khi dòng qua nó về zero, chu kì T phải đủ lớn để cho TRIAC có thể dẫn điện trong nhiều chu kì điện áp lưới (tần số lưới điện là 50 Hz). Trong bài thí nghiệm, T
khoảng 3 giây, bộ thí nghiệm có chỉ thị hệ số a theo đơn vị % gọi là %công suất.
3. Trình tự thí nghiệm.
-Bước 1: Dùng SIMULINK để xây dựng hệ
thống điều khiển nhiệt độ PID như sau:
Hình 1.24. Mô hình hệ thống PID điều khiển nhiệt độ Trong đó:
-Step: là tín hiệu hàm nấc thể hiện nhiệt độ đặt của lò.
-Transfer Fcn -Transfer Fcn1: mô hình lò nhiệt tuyến tính hóa.
-Khối PID là bộ điều khiển PID.
-Khâu bão hòa Saturation chỉ tín hiệu điều khiển
-Ngõ ra của Transfer Fcn1 là nhiệt độ thực của lò, đưa vào Scope để quan sát.
-Khối Gain dùng để khuếch đại tín hiệu ngõ ra khối Rolay để quan sát cho rõ. Lưu ý rằng giá trị này không làm thay đổi cấu trúc của hệ thống mà chỉ hỗ trợ việc quan sát tín hiệu.
-Bước 2: Chỉnh giá trị của hàm nấc: Step time
= 0, Initial value =0, Final value =100, giá trị khối Gain=50, khâu bão hòa Saturation có giới hạn là upper limit=1, lower limit=0 tượng trưng ngõ ra bộ điều khiển có công suất cung cấp từ 0% đến 100%.
- Bước 3: Tính toán giá trị Tính giá trị các thông
số Kp, Ki, Kd của khâu PID theo phương pháp Ziegler-Nichols từ thông số L và T tìm được
L ≈18; T≈177; K=300 a) Tính các giá trị K , K , K theo L, T, K: p i d (Khi vùng trễ: +1/-1; gain=50) Tính được:
Kp=1.2T/LK=0.0393; Ki=K /2LK=3.642*10 ;p -6 K =0.5K L/K=1.18*10d p -3
Hình 1.25. Đặc tính quá độ khi điều khiển tuyến tính
*Nhận xét: Ta thấy tín hiệu ngõ ra trong trường hợp này không dao động xung quanh tín hiệu đặt như ở bộ điều khiển ON- OFF mà ngõ ra ở xác lập là hằng số. Tuy nhiên, giá trị này có sai số so với tín hiệu đặt. Chất lượng quá trình điều khiển có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp điều khiển ON-OFF.
KIỂM SOÁT MỰC NƯỚC HỆ BỒN ĐƠN DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ
Mô hình hệ bồn nước được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm điều khiển. Các giải thuật điều khiển thường được áp dụng cho mô hình trên như điều khiển PID, điều khiển mờ… Điều khiển PID có nhiều ưu điểm như thông dụng trong công nghiệp, không cần biết cấu trúc hệ thống mà có thể điều chỉnh bằng thực tế. Do đó, bài báo đề cập về điều khiển PID. Bài viết sẽ khảo sát sự thay đổi các giá trị PID để kiểm tra một mô hình đơn giản dùng cho sinh viên thực tập tại phòng thí nghiệm điều khiển của Trường Sư phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục đích bài báo là trình bày việc thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc dùng phương pháp PID số trên mô phỏng và điều khiển mô hình thực “Hệ thống điều khiển kiểm soát mực nước hệ bồn đơn”.
1.Giới Thiệu
Trong lĩnh vực điện - điện tử, bộ điều khiển PID được sử dụng khá phổ biến. Bộ điều khiển PID thiết kế ở hai dạng gồm thiết kế điều khiển liên tục và thiết kế điều khiển rời rạc. Trong bài viết này, mô phỏng “Kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” được thực hiện trên phần mềm Matlab thiết kế ở dạng rời rạc. Đồng thời trong bài viết này, tác giả đã xây dựng một mô hình thực “Hệ thống kiểm soát mực nước hệ bồn đơn” điều khiển bằng vi xử lý Arduino để quan sát tính ổn định của hệ thống khi thay đổi các giá trị PID.
Tín hiệu ngõ vào bộ điều khiển là tín hiệu liên tục. Thuật toán điều khiển là các khâu
tỷ lệ (Proportional), khâu tích phân (Integral) và khâu vi phân (Derivative) không làm tín hiệu bị đứt đoạn. Vì vậy, tín hiệu ngõ ra là tín hiệu liên tục.
Hình 1. Bộ điều khiển PID kinh điển 2.Nội dung