THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
3.1.2. Đo đạc thực nghiệm
Bộ điều khiển này đã được sử dụng để đo đạc, khảo sát các đáp ứng tần số của các mạch trong bộ thực nghiệm, từ đó cho phép điều chỉnh và tìm ra các hệ số điều khiển mong muốn. Các thiết bị đo đạc gồm: máy phát chức năng (function generator), dao động ký 2 chùm tia. Mục tiêu là đo đạc khảo sát các đáp ứng tần số của các mạch điện.
Khảo sát mạch đối tượng vật lý (mạch lọc bậc 1 và 2):
Các công tắc trên sơ đồ bộ điều khiển được đặt theo như bảng sau: Công tắc Trạng thái Công tắc Trạng thái
S1 OFF S5 R
S2 OFF S6 L hoặc R
S3 OFF S7 L
S4 L S8 R
Khi cấp tín hiệu hình sin biên độ không đổi với tần số biến đổi từ gần một chiều DC đến 1 MHz để đo đáp tuyến tần số của hệ vật lý với một bộ lọc (S6 = R) và hai bộ lọc (S6 = L) và với các hằng số thời gian khác nhau (điều chỉnh bằng các biến trở R18 và R20) sẽ nhận được đáp ứng tần số của các bộ lọc. Lối ra máy phát (OUTPUT/50 ) và kênh 1 máy hiện sóng nối với lối vào EXTERNAL, kênh 2 máy hiện sóng nối với lối ra Vsens. Kết quả khảo sát cho thấy đáp ứng tần số của 2 bộ lọc thông thấp là đảm bảo đúng dạng.
Khảo sát mạch điều khiển tỷ lệ
Các công tắc được đặt theo như bảng sau:
Công tắc Trạng thái Công tắc Trạng thái
S1 ON S5 L
S2 OFF S6 L hoặc R
S3 OFF S7 R
S4 L S8 R
f 50Hz 60Hz 70Hz 80Hz 90Hz 100Hz 110Hz 120Hz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.49 1.49 1.49 f 130Hz 150Hz 200Hz 300Hz 400Hz 500Hz 600Hz 800Hz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 1.49 1.49 1.49 1.49 1.49 1.49 1.46 1.46 F 1KHz 1.2KHz 1.5KHz 2KHz 3KHz 4KHz 5KHz 6KHz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 1.42 1.42 1.4 1.3 1.2 1.14 1.01 0.87 F 8Khz 10Khz 15Khz 20Khz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 0.8 0.6 0.35 0
Đồ thị Bode của khâu tỷ lệ P được vẽ như hình 3.14 sau:
Hình 3.14. Đặc tuyến biên độ của khâu tỷ lệ P.
Việc khảo sát điều chỉnh hệ số tỷ lệ Kp được thực hiện bằng việc cấp tín hiệu hình vuông có tần số 500 Hz, biên độ 100 mV, tới lối vào Vref. Đây là tín hiệu có các đột biến tại các sườn xung lên và xuống. Dùng kênh 1 và 2 của máy hiện sóng để quan sát dạng tín hiệu trên Vref và lối ra Vsens. Điều chỉnh hệ số khuếch đại của U2A bằng biến trở R7 (KP) cho tới khi có đáp ứng mong muốn ở lối ra (quan sát sườn lên của các xung). Dùng các giá trị linh kiện trên sơ đồ và giá trị R7, xác định giá trị KP (chính bằng hệ số khuếch đại của mạch KĐTT).
Giản đồ xung nhận được trên dao động ký với các Kp khác nhau như hình 3.15. Thấy rằng, với tần số 500 kHz, Kp tối ưu đạt được cỡ 2,8.
kp= 4,2
kp= 1, 7
kp= 2,8
Hình 3.15. Dạng sóng tại lối vào (trên) và lối ra (dƣới) của bộ điều khiển P với các Kp khác nhau.
Khảo sát mạch điều khiển tích phân
Các công tắc được đặt theo như bảng sau:
Công tắc Trạng thái Công tắc Trạng thái
S1 OFF S5 L
S2 ON S6 L hoặc R
S3 OFF S7 R
S4 L S8 R
Số liệu thực nghiệm đo đáp ứng tần số của khâu tích phân nhận được như sau: F 80Hz 100Hz 120Hz 140Hz 160Hz 200Hz 250Hz 300Hz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 2.15 1.58 1.39 1.2 1.05 0.81 0.67 0.68 F 400Hz 500Hz 600Hz 700Hz 800Hz 900Hz 1KHz 1.5KHz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 0.45 0.35 0.3 0.25 0.21 0.2 0.17 0.13 F 2KHz 2.5KHz 3KHz Uv 0.35 0.35 0.35 Ur 0.1 0.1 0
Với các điểm đo được ta vẽ được đặc tuyến của mạch điều khiển tích phân như hình 3.16. Ta thấy đặc tuyến gần giống với lý thuyết. Tuy nhiên dải tần của bộ điều khiển bị hạn chế chỉ tới khoảng 3KHz. Điều này là do bản chất bộ tích phân là mạch lọc thông thấp, ngoài ra còn bị hạn chế bởi các thông số kí sinh của mạch.
Khảo sát điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI)
Vị trí các công tắc được đặt theo như bảng sau:
Công tắc Trạng thái Công tắc Trạng thái
S1 ON S5 L
S2 ON S6 L hoặc R
S3 OFF S7 R
S4 L S8 R
Bảng sau là các số liệu đo đáp ứng tần số hai khâu kết hợp PI.
F 70Hz 100Hz 200Hz 300Hz 400Hz 500Hz 600Hz 800Hz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 3.77 3.0 1.8 1.5 1.44 1.4 1.36 1.3 f 1KHz 1.2kHz 1.5KHz 2kHz 3kHz 4Hz 5kHz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 1.29 1.28 1.24 1.2 1.2 1.1 1.01 f 6KHz 8kHz 9KHz 10KHz 15KHz 20KHz 23Khz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 1.01 0.9 0.8 0.7 0.5 0.2 0
Từ kết qủa đó ta nhận được một đặc tuyến biên độ – tần số như hình 3.17 dưới đây.
Hình 3.17. Đồ thị Bode của 2 khâu PI.
Mắc máy phát và máy hiện sóng như các trường hợp trên cho phép điều chỉnh hệ số khuếch đại (K7) và hằng số thời gian I (R8) để xác định các hệ số tỷ lệ KP và KI = 1/I cho trường hợp tối ưu.
Khảo sát điều khiển PID
Vị trí các công tắc được đặt theo như bảng sau:
Công tắc Trạng thái Công tắc Trạng thái
S1 ON S5 L
S2 ON S6 L hoặc R
S3 ON S7 R
S4 L S8 R
Số liệu đo đáp ứng tần số khi có mặt cả 3 khâu PID như bảng sau: f 100Hz 200Hz 300Hz 400Hz 500Hz 600Hz 800Hz 1KHz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 3.64 2.1 1.6 1.2 1.0 1.0 1.0 0.9 f 1.5KHz 2KHz 2.5KHz 3KHz 4KHz 5KHZ 6KHz 7KHz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 0.9 1.2 1.1 1.1 1.1 1.07 1.08 1.06 f 8KHz 9KHz 10KHz 15KHz 20KHz 23KHz Uv 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 Ur 1.06 1.06 1.0 0.7 0.35 0
Đồ thị Bode của bộ điều khiển như hình 3.18 sau.
Hình 3.18. Đồ thị Bode của 3 khâu PID.
Điều chỉnh hệ số khuếch đại (K7) và hằng số thời gian I (R8) tối ưu như kết quả trên. Điều chỉnh hằng số thời gian của bộ khuếch đại vi phân U3A bằng biến trở R12 (KD) để có đáp ứng tốt nhất ở lối ra Vsens. Xác định các hệ số KP, KI và KD với 2 vị trí khác nhau của S6.