Bộ điều khiển PID ( Propotional Integral derivative) là chữa viết tắt của 3 thành phần cơ bản là khâu vi phân, tích phân cĩ tỷ lệ trong bộ điều khiển và đây cũng là 3 khâu động học cơ bản được sử dụng phổ biến rộng rãi nhất trong cơng nghiệp hiện nay. Bộ PID được sử dụng nhiều đề điều khiển theo nguyên lý hồi tiếp. Bộ PID đơn giản về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc, điều chỉnh được sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính tốn và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra [11]. Sơ đồ khối bộ PID như sau:
Hình 3.1– Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID
Bộ PID cĩ thể tăng tốc đáp ứng đối với vịng kín của bộ điều khiển, tăng độ chính xác của đáp ứng xác lập, giảm độ vọt lố, thiết kế bộ PID tương đối dễ và đa dạng dĩ cũng chính là lý do tác giả sử dụng mơ hình điều khiển PID để điều khiển mơ hình vật lý của đề tài.
Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch. Đối tượng điều khiển là thành phần tồn tại khách quan cĩ tiến hiệu ra là thành phần cần được điều khiển và nhiệm vụ cơ bản là phải tác động lên đầu vào của đối tượng điều khiển sao cho đại lượng cần điều khiển đạt giá trị mong muốn [20].
46
Cĩ ba phương thức điều khiển: Điều khiển theo chương trình; Phương thức bù nhiễu; Phương thức điều khiển sai lệch.
Trong phương thức điều khiển theo chương trình tín hiệu điều khiển được phát ra do một chương trình định sẵn trong thiết bị điều khiển. Với phương thức bù nhiễu, tín hiệu điều khiển phát ra nhằm bù lại sự tác động của nhiễu loạn để giữ cho giá trị ra của đại lượng cần điều khiển khơng đổi. Đối với phương thức điều khiển theo sai lệch, trong đĩ tín hiệu điều khiển là sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đĩ được của đại lượng cần điều khiển. Căn cứ theo yêu cầu tín hiệu ngõ ra, sẽ điều chỉnh hệ số KP. KI, KD sao cho tín hiệu ngõ ra là tối ưu nhất.
3.1.1 Khâu P
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ.
Khâu P được tính dựa trên cơng thức:
(3.1) Với: Pout: giá trị ngõ ra
KP: hằng số tỉ lệ
e: sai lệch: e = SP – PV Sơ đồ khối của khâu P:
Hàm truyền: G (s) = Kp p
Nếu chỉ cĩ khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luơn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.
47
Hình 3.2 Đáp ứng của khâu P
Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.
3.1.2 Khâu I
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đĩ vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0. Khâu I được tính theo cơng thức:
(3.2) Với: IOUT: giá trị ngõ ra khâu I
Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối khâu I:
Hàm truyền: I I. K U(s) 1 G(s) = = = E(s) s T s (3.3)
Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động.
48
Hình 3.3: Đáp ứng của khâu I và PI
Ta cĩ thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, cịn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập.
3.1.3 Khâu D
Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra. Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chĩng và mau chĩng đạt được giá trị mong muốn.
Khâu D được tính theo cơng thức:
(3.4)
Với: DOUT: ngõ ra khâu D KD: hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV Sơ đồ khối khâu D:
Hàm truyền: ( ) ( ) ( ) d U s G s K s E s (3.5)
49
Hình 3.4: Đáp ứng của khâu D và PD
Theo hình trên, bộ PD tạo đáp ứng cĩ thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với bộ P. Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống khơng ổn định.
3.1.4 Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D. Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:
P I D
de(t) u(t)=K e(t)+K e(t)dt+K
dt (3.6)
Sơ đồ khối:
Hình 3.5 - Sơ đồ khối bộ điều khiển PID lý tưởng
Bộ điều khiển PID cĩ các ưu điểm của bộ điều khiển PI mờ và PD mờ, tức là cĩ điều khiển vơ sai, thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp.
50
CHƯƠNG 4
MƠ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Mơ hình mơ phỏng mạch cho Pin quang điện để ước tính các đường cong đặc trưng của quang điện liên quan đến thay đổi các thơng số mơi trường (nhiệt độ và độ bức xạ) và các thơng số pin quang điện, dùng để phân tích trong q trình tái tạo MPPT (thuật tốn điểm cực đại). Bằng cách sử dụng một phương trình Diode shockley mơ hình bảng quang điện được mơ phỏng chính xác trong Simulink [22- 24].