CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG
3.3. Nghiên cứu các phương pháp thiết kế bộ điều khiển
Hệ thống gồm hai mạch vòng điều khiển nối vòng theo cấp: mạch vòng bên trong là mạch vòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng bên ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ:
R R, I: Các bộ điều khiển tốc độ, dòng điện.
Hệ thống sử dụng các sensor đo dòng điện, tốc độ.
*,
d ph
: tốc độ đặt và tốc độ thực.
*,
u u
i i : dòng điện đặt và dòng điện thực.
Tổng hợp hệ thống:
Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ.
3.3.1. Đặt vấn đề
Phương pháp điều khiển kinh điển PID là phương pháp được áp dụng phổ biến nhất trong các bộ điều khiển công nghiệp. Sự phổ biến này là do tính đơn giản của phương pháp và yêu cầu về chất lượng điều khiển không quá cao của hệ thống.
Phương pháp điều khiển thông minh, mà mờ là một đại diện tiêu biểu đang được khai
thác và ứng dụng bởi khả năng hoạt động một cách độc lập hoặc kết hợp với thuật toán PID để đem lại chất lượng cao cho hệ thống điều khiển. Thiết kế một bộ điều khiển thông minh có khả năng thực hiện các thuật toán PID, Fuzzy động, PID-Fuzy Intervention, PID-Fuzzy Self-tunning là một hướng đi hứa hẹn trong tương lai.
Để xây dựng một bộ điều khiển như vậy, thiết kế phần cứng đòi hỏi việc sử dụng dòng vi điều khiển có dung lượng nhớ lớn, tần số hoạt động cao và các yêu cầu cần thiết khác về ngoại vi
3.3.2. Cơ sở lý thuyết điều khiển 3.3.2.1 Thuật toán điều khiển PID
Thuật toán điều khiển PID (1,2) là sự kết hợp của 3 thành phần: Khuếch đại (P), vi phân (I) và vi phân (D) của sai lệch đầu vào
Ưu điểm lớn đem lại ứng dụng rộng rãi cho thuật toán này là tính đơn giản về cấu trúc và nguyên lý làm việc, với hệ thống làm việc trong môi trường ít bị ảnh hưởng của nhiễu, thông số của đối tượng chỉ thay đổi nhỏ trong quá trình làm việc và yêu cầu về độ chính xác và ổn định cao thì PID là một giải pháp điều khiển hữu hiệu
Hình 3.4 Hệ điều khiển thực hiện thuật toán PID 3.3.2.2. Thuật toán điều khiển mờ động
Thuật toán mờ động[1,3] là thuật toán kết hợp giữa hệ kinh điển và hệ mờ, cụ thể là sự kết hợp của thuật toán điều khiển mờ cơ bản và các thành phần P, I, D. Các thành phần P, D thường là các thành phần của sai lệch đầu vào, còn I là thành phần của đầu ra bộ điều khiển mờ cơ bản.Một số cấu trúc hệ thực hiện thuật toán mờ động Thuật toán mờ động PD
Hình 3.5 Hệ điều khiển thuật toán PD 3.3.2.3 Thuật toán điều khiển mờ động PI
Hình 3.6 Hệ điều khiển thuật toán mờ PI
Hình 3.7 Hệ điều khiển thuật toán mờ I 3.3.2.4 Thuật toán điều khiển PID – Fuzzy Intervention
Sơ đồ tổng quát một hệ thực hiện thuật toán PID – Fuzzy Intervention (4):
Hình 3.8 Hệ điều khiển thuật toán PID – Fuzzy Intervention 3.3.2.5 Thuật toán điều khiển PID – Fuzzy self - tunning
Đây là thuật toán mà ở đó tham số bộ PID trong quá trình điều khiển được chỉnh định bằng hệ mở, thuật toán này đem lại chất lượng điều khiển tốt, trong cả trường hợp nhiễu đáng kể lên hệ thống
Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển trong đó tham số PID được chỉnh định bằng hệ mờ
Hình 3.9 Hệ điều chỉnh tham số PID bằng hệ mờ 3.3.2.6. Bộ điều khiển PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển như hình 3.10 khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) người ta vẫn thường nói rằng PID là một tập thể hoàn hảo bao gồm ba tính cách khác nhau:
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ).
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân).
- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân).
Hình 3.10: Điều khiển với bộ điều khiển PID
Điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. 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 (vai trò khuếch đai kp ).
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân TI ).
- Nếu sự thay đổi sai lệch e(t) càng lớn thì thì thông qua thành phần uD(t) phản ứng thích nghi của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân TD ).
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào - ra:
t
0
D I
p dt
de(t) T
e(t)dτ T
e(t) 1 k
u(t)
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, kp được gọi là hệ số khuếch đại, TI là hằng số tích phân, TD là hằng số vi phân.
Từ mô hình vào-ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:
T s
s T 1 1 k
R(s) D
I p
(-)
e(t
) PID Đối tượng điều khiển u(p u(t)
e(t ) )
e(t )
u(t)