b) Thuật tốn PID số trên vi điều khiển
4.2.3 Hiện tượng bão hịa tích phân (reset windup) và cách khắc phục
Reset windup là hiện tượng đầu ra của bộ điều chỉnh vẫn tiếp tục tăng quá mức giới hạn do sự tích lũy của thành phần tích phân vẫn tiếp tục được duy trì khi sai lệch điều khiển đã trở về khơng.
Reset windup xảy ra khi:
- Bộ điều khiển cĩ chứa thành phần tích phân và
- Tín hiệu điều khiển bị hạn chế
Thành phần tích phân giúp cho đầu ra của hệ kín nhanh chĩng tiến đến giá trị đặt. Tuy nhiên, khi tín hiệu điều khiển quá lớn hoặc thay đổi quá nhanh làm cho
thiết bị chấp hành khơng đáp ứng nổi thì tính chất tuyến tính của luật điều khiển khơng được bảo đảm.
Hiện tượng bão hịa tích phân cĩ thể giải thích một cách trực quan như sau. Để đơn giản ta giả thiết bộ điều khiển PI được sử dụng. Khi giá trị đặt tăng lên, trước hết bộ điều khiển sẽ làm sai lệch điều khiển giảm dần và tiến về 0. Tại thời điểm sai lệch điều khiển triệt tiêu, thành phần P sẽ bằng 0 nhưng thành phần I vẫn tiếp tục được duy trì. Tác động tích phân làm cho sai lệch điều khiển đổi dấu và lớn lên gây hiện tượng quá điều chỉnh. Bình thường, khi các tham số của bộ điều khiển được chỉnh định tốt thì dao động này tắt dần và hệ thống nhanh chĩng đi tới trạng thái xác lập. Tuy nhiên nếu tín hiệu điều khiển bị giới hạn trên (về giá trị hoặc tốc độ thay đổi) thì hệ thống sẽ đáp ứng chậm hơn với thay đổi giá trị đặt. Đến khi sai lệch điều khiển triệt tiêu thì thành phần I trở lên rất lớn và tiếp tục tăng bởi tín hiệu điều khiển vẫn bị giới hạn. Do vậy, thời gian quá điều chỉnh và độ quá điều chỉnh đều tăng lên. Nếu tín hiệu điều khiển cũng bị giới hạn dưới nữa thì hiện tượng này cĩ thể lặp lại làm hệ dao động nhiều hơn, thậm chí cĩ thể làm cho hệ mất ổn định. Đầu ra của bộ điều khiển càng bị giới hạn nhiều hoặc thời gian tích phân càng nhỏ, chất lượng của hệ kín càng giảm nhiều so với trường hợp lý tưởng.
* Các biện pháp khắc phục bão hịa tích phân (Antiwindup)
1. Cắt bỏ thành phần tích phân khi giá trị được điều khiển đạt tới giá trị đặt, loại trừ hồn tồn hiện tượng windup.
2. Giảm hệ số khuếch đại e đầu ra của bộ điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép, tránh việc xảy ra hiện tượng windup.
3. Theo dõi giá trị thực của tin hiệu điều khiển bị giới hạn và phản hồi về bộ điều chỉnh để giảm thành phần tích phân, hạn chế windup.
4. Đặt một khâu giới hạn tại đầu ra của bộ điều chỉnh PID để mơ phỏng đặc tính phi tuyến của phần tử chấp hành, sử dụng thuật tốn bù giống như trong phương pháp 3.
Hai phương pháp 3 và 4 cĩ ưu điểm hơn cả và được hầu hết các bộ điều khiển cơng nghiệp hỗ trợ. Thành phần tích phân được cải tiến lại như sau:
( ) 1 i c b i t du k e u u dt = τ +τ −
Trong đĩ ub là tín hiệu điều khiển ước lượng hoặc quan sát được và t là hằng số thời gian bám. Thơng thườngt được lấy bằng một phần của hằng số thời gian tích phân i. Sơ đồ khối biểu diễn cấu trúc thực thi của các phương pháp này như sau: