5. Mô-đun PID: có nhiệm vụ thực hiện thuật toán điều khiển PID với 3 hệ số KP,
3.2.2.2. Phát triển các chương trình phần mềm điều khiển và kết quả các thực nghiệm đánh giá bộ điều khiển PID.
nghiệm đánh giá bộ điều khiển PID.
Các mô-đun phần mềm điều khiển được phát triển trên gói phần mềm LABVIEW của hãng National Instrument. Giao diện các mô-đun kiểm tra như các hình dưới đây.
Hình 3.26. Giao diện kiểm tra máy phát điều chế độ rộng xung.
I/O TIMER H-BRIDGE
Out Out In In +5V Motor Encoder +5V tải PC Máy hiện sóng C1 C2
Hinh 3.27. Giao diện kiểm tra sự phụ thuộc của tốc độ mô-tơ vào độ rộng xung điều khiển.
Để có thể đo đạc, so sánh tác dụng của điều khiển PID với các tải trọng mô-tơ thay đổi, 04 vật nặng có trọng lượng 0,5 kg được sử dụng cho mục đích kiểm tra với 03 chương trình phần mềm điều khiển với 3 phương pháp điều khiển khác nhau:
- Điều khiển trực tiếp, tức là không có điều khiển tự động, không có vòng phản hồi (opened-loop control). Giao diện như hình 3.28 với chương trình “Dieu khien truc tiep.vi”.
- Điều khiển kiểu ON-OFF. Giao diện như hình 3.29 với chương trình “Dieu khien ONOFF.vi”.
- Điều khiển kiểu PID. Giao diện như trên hình 3.30 với chương trình “Dieu khien PID.vi”.
Kết quả cho thấy:
Điều khiển trực tiếp với tốc độ đặt từ 10 rpm tới 300 rpm cho sự ổn định tốt nhưng với tốc độ 600 rpm không đảm bảo một tốc độ không đổi khi tải mô-tơ thay đổi từ 0,5 kg tới 2 kg.
9 8 0
Điều khiển ON-OFF không thể dùng cho trường hợp tải là điện cảm như mô-tơ vì không ổn định, gây ra nhưng xung giật và tạo ra những khoảng chết (dead zone) là những vùng mất tác dụng điều chỉnh tốc độ.
Hình 3.28. Giao diện điều khiển trực tiếp.
Dưới đây là giao diện mô-đun điều khiển tốc độ mô-tơ theo luật PID (hình 3.29). Cấu tạo của giao diện gồm các phím điều khiển ảo, các bộ hiện thị số và đồ họa:
- Phím đặt tốc độ: từ 200 rpm tới 1.000 rpm.
- 03 chuyển mạch cho phép các chế độ điều khiển P, I và D. - 03 phím đặt hệ số KP, KI và KD.
- Hiện thị số độ rộng xung điều khiển.
- Đồ thị hiển thị sự phụ thuộc tốc độ mô-tơ theo thời gian giây.
Hình 3.29. Giao diện điều khiển PID.
Các thực nghiệm với điều khiển PID cho các kết quả như sau: - Chọn chế độ điều khiển tỷ lệ P với trường hợp có tải:
+ Với các giá tri KP> 0,55 hệ bị dao động, mất điều khiển tốc độ.
+ Với giá trị KP < = 0,35 độ lệch tĩnh cực tiểu cũng phải tới 150 rpm trong trường hợp tốc độ đặt là 600 rpm. Như vậy khoảng hoạt động thực sự bị giảm. + Với sự thay đổi tải từ 0,5 kg đến 2,0 kg tốc độ hầu như không bị ảnh hưởng. Vậy có thể kết luận: điều khiển kiểu P cho một sự ổn định tốt của đáp ứng tốc độ so với tải nhưng không thể đạt tới chính xác điểm đặt.
- Chọn chế độ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI với trường hợp có tải:
+ Với KP= 0,50 KI= 0,1 hệ bị dao động do hệ số khuếch đại KP quá lớn và do KI chưa đủ lớn nên độ lệch tĩnh còn lớn đến 250 rpm (hình 3.30).
Hình 3.30. Thực nghiệm với tốc độ đặt từ 0 lên 800 rpm, KP= 0,5, KI = 0,1, KD = 0.
55071 71
+ Giảm KP xuống 0,30 và tăng KI tới 0,2 ta thấy hệ đã ổn định, đáp ứng có thể đạt tới gần giá trị điểm đặt nhưng thời gian đáp ứng còn khá dài (hình 3.31). Kết quả này không bị ảnh hưởng khi tăng thêm tải. Vậy hệ có đáp ứng tốt với tự điều chỉnh theo tải.
Hình 3.31. Thực nghiệm với tốc độ đặt từ 0 lên 800 rpm, KP = 0,3 KI = 0,2 KD = 0.
80076 76
+ Với KP = 0,3 và KI = 0,4 ta thấy đáp ứng là tối ưu, hệ đạt tới điểm đặt với thời gian ngắn nhất và không có dao động. Hình 3.32. cho thử nghiệm với việc thay đổi tốc độ đặt (coi như tức thời) từ giá trị 100 rpm lên 800 rpm rồi xuống 300 rpm.
Hình 3.32. Các hệ số được chỉnh tới tối ưu với KP= 0,3 KI= 0,4 KD= 0.
30034 34
+ Hình 3.33 cho trường hợp chỉnh KP = 0,3 và KI = 0,5. Ta thấy đáp ứng của hệ bị dao động do hệ số tích phân quá lớn.
Hình 3.33. Hệ số KIquá lớn.
30034 34
KẾT LUẬN
Bản Luận văn đã thực hiện được những kết quả chính sau:
- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết điều khiển tự động với các công cụ biến đổi Laplace cho hệ liên tục và biến đổi Z cho hệ thống số. Trên cơ sở đó đi sâu vào tìm hiểu một phương pháp điều khiển tiên tiến là loại điều khiển PID.
- Đã thiết kế lắp ráp một bộ điều khiển PID điện tử, cho phép dùng cho điều khiển các thông số điện và phi điện qua các bộ khuêch đại điện tử. Hệ thống đã được đo kiểm các đáp ứng tần số và đáp ứng điều khiển (đáp ứng quá độ).
- Đã thiết kế xây dựng phần cứng tối thiểu ghép nối máy tính và các chương trình phần mềm dựa trên ngôn ngữ hình tượng LABVIEW cho phép điều khiển một mô-tơ DC theo luật PID. Các chương trình cho phép kiểm tra tính năng của bộ điều khiển PID và đánh giá so sánh với các điều khiển trực tiếp và điều khiển theo luật ON- OFF cũng được xây dựng.
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài có thể là việc phát triển bộ điều khiển như vậy qua các bộ vi điều khiển hoặc các chip lôgic chuyên dụng khả trình như FPGA hay ASIC.
Bản luận văn đã đạt được những mục tiêu ban đầu đề ra.
Tuy nhiên do thời gian và trình độ còn hạn chế nên bản luận văn không tránh khỏi các thiếu sót. Trong thời gian tới em sẽ thực hiện hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đề tài nghiên cứu này, xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện tử – Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, các bạn đồng nghiệp và gia đình đã luôn động viên em trong suốt thời gian vừa qua.