CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP INSTASPIN
3.2. Các bộ điều chỉnh [7]
3.2.1. Giới thiệu các bộ điều khiển PI
Đây là các bộ điều khiển PI được phát minh vào những năm 1920 bởi một kỹ sư tên là Nicolas Minorsky thiết kế các hệ thống lái tự động cho Hải quân Hoa Kỳ vào đầu thập niên 1920 bằng cách quan sát một người cầm lái lái một con tàu trong điều kiện khác nhau. Ông nhận thấy rằng các hành động của người cầm lái có thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
được xấp xỉ bởi một khuếch đại đơn giản của tín hiệu sai lệch trong điều kiện tĩnh, nhưng mô hình đơn giản này không đủ để mô tả phản ứng của người cầm lái khi có ảnh hưởng của một cơn gió mạnh. Điều này dẫn đến việc bổ sung một thành phần để bù sai lệch trạng thái ổn định liên tục. Sau đó, thuật ngữ vi phân đã được thêm vào để cải thiện khả năng kiểm soát.
Các thử nghiệm hệ thống lái tự động dựa trên một bộ điều khiển PI được thực hiện ở tàu sân bay USS New Mexico. Sau khi điều chỉnh một số thông số, ông đã có thể kiểm soát các sai lệch ít hơn hai độ. Khi thành phần D được bổ sung, sai lệch cải thiện 1/6 độ, tốt hơn so với những gì mà người cầm lái có thể đạt được bằng tay.
Minorsky công bố phát hiện của mình (cũng ở những năm đầu 1920). Chúng ta biết rằng phát hiện của ông đưa ra một kỷ nguyên mới trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển.
Để điều chỉnh một bộ điều khiển PI người ta thường chỉ ra các biểu đồ Bode hoặc một vài dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng quá trình này là thực tế, và phù hợp với các loại phản ứng.
Phần này trong hướng dẫn InstaSpin cho người sử dụng được đặt với nhau để thiết kế và điều chỉnh các mạch vòng PI (bất kể là mạch vòng tốc độ hay mạch vòng dòng điện) một cách xác định. Như vậy, vẫn có rất nhiều bậc tự do tùy thuộc vào loại người sử dụng tìm kiếm, cũng như không giới hạn sự thay đổi tinh tế về cấu trúc PI cơ bản. Tuy nhiên, bằng cách tuân theo một số quy tắc cơ bản người dùng có thể điều chỉnh vòng lặp PI.
Nếu tải đang xem xét có các cực phức tạp nổi bật do cộng hưởng xoắn giữa động cơ và tải, thì bộ điều khiển sẽ phức tạp hơn một cấu trúc PI đơn giản để hủy bỏ các hiệu ứng cộng hưởng. Nhưng trong nhiều trường hợp, một bộ nối cứng trục nên kiểm soát sự cộng hưởng xoắn đến điểm mà chấp nhận việc sử dụng một cấu trúc điều khiển PI tiêu chuẩn. Ngoài ra, giả thiết rằng tải trọng không có giảm xóc nhớt.
Tuy nhiên, nếu quá trình điều chỉnh được mô tả trong phần này không phù hợp cho một thiết kế nhất định, có khả năng là cực phức tạp hoặc giảm xóc nhớt tồn tại ở đâu đó trong tải mà ảnh hưởng đến kết quả.
Hình 3.1 biểu diễn một cấu trúc song song của một bộ điều khiển PI. Các tín hiệu sai lệch được chia thành hai đường riêng biệt: một là trực tiếp khuếch đại và một
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
được khuếch đại và sau đó tích phân. Bộ tích phân được kể đến để điều khiển sai lệch trạng thái ổn định của hệ thống về không, vì bất kỳ sai lệch trạng thái ổn định khác không sẽ dẫn đến một kết quả tích phân không giới hạn. Hai đường dẫn tín hiệu này sau đó được kết hợp ở đầu ra một lần nữa thông qua một bộ cộng tín hiệu.
Kp hệ số ở các tần số cao Ki hệ số ở các tần số thấp
Hình 3.1: Bộ điều khiển PI nối song song
Thành phần Kp thiết lập hệ số khuếch đại tần số cao của mạch vòng điều khiển. Thành phần Ki thiết lập hệ số khuếch đại tần số thấp, và về mặt lý thuyết có hệ số không xác định ở DC. Tần số mà giao giữa tần số cao và các tần số thấp được gọi là "điểm không" của bộ điều khiển và tương ứng với các điểm uốn trong đặc tính tần số.
Bộ tích phân đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của bộ điều khiển PI. Ví dụ, chúng ta có sai lệch trong vòng lặp điều khiển là không, có nghĩa là các tín
Tín hiệu đặt +
-
Tín hiệu phản hồi
Sai lệch
Kp
Ki ∫
∑
∑
Đầu ra
+
+
Kp
Ki (20dB/decade) Biên độ (dB)
0.1 1 10 100 1000 Tần số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
hiệu điều khiển bằng tín hiệu đặt. Bây giờ thêm một sai lệch nhỏ vào tín hiệu điều khiển, đầu ra bộ tích phân sẽ bắt đầu tăng để loại bỏ sai lệch một lần nữa.
Khi loại bỏ độ lệch, tín hiệu điều khiển cuối cùng sẽ trở về giá trị đặt một lần nữa, nhưng không phải về ngay. Đầu ra tích phân vẫn lớn, gây ra tín hiệu được điều khiển vọt giá trị điều khiển trong khi đầu ra tích phân bị xóa. Trong thời gian này, biên dạng của tín hiệu "được điều khiển" không được điều khiển toàn bộ, và thậm chí có thể dẫn đến ảnh hưởng xấu cho hệ thống nếu không được hạn chế. Đó là lý do tại sao hiệu ứng này trong bộ điều khiển PI được gọi là windup. Có nhiều cách để giảm thiểu tác động windup, nhưng hầu hết các kỹ thuật liên quan đến một số loại hạn chế đầu ra bộ tích phân.
Một dạng phổ biến của bộ điều khiển PI (và là bộ sẽ sử dụng để phân tích) là cấu trúc "nối tiếp" được chỉ ra trên hình 3.2.
Hình 3.2: Bộ điều khiển PI nối tiếp
series
p p
K K
series
i i
K K
series
Kp
là thành phần hệ số nối tiếp
Đầu ra
+
∫ ∑ Sai
lệch
+
Tín hiệu đặt
-
Tín hiệu phản hồi
∑
Kp Ki (20dB/decade) Biên độ (dB)
0.1 1 10 100 1000 Tần số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
series
Ki
là thành phần cụ thể cho tần số uốn
Nhưng trong cấu trúc này, Kseriesp đặt hệ số cho tất cả các tần số, và Kiseriestrực tiếp xác định điểm uốn (điểm không) của bộ điều khiển trong rad/ s. Cả hai dạng đều cân bằng về độ phức tạp phần mềm. Tuy nhiên, nhiều người thích dạng nối tiếp hơn dạng song song bởi vì Kpseries và Kiseries tương quan trực tiếp với các thông số hệ thống.
Nó dễ dàng để hiểu được ảnh hưởng mà Kpseriescó trong hoạt động của bộ điều khiển, vì nó chỉ đơn giản là một hệ số trong hàm truyền vòng lặp hở.