Chương 4 MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Bộ PID điều khiển động cơ một chiều:
4.2.2. Khảo sát quá trình điều khiển bộ PID ứng dụng cho điều khiển động cơ:
cơ:
Bộ PID được khảo sát thông qua việc điều khiển hai mô-tơ độc lập, ở đây là hai mô-tơ điều khiển bánh xe robot di động mà chúng tôi đã đề cập ở Chương 3. Việc khảo sát được tiến hành bằng cách sử dụng giao diện chương trình thiết kế bằng Matlab, truyền các tham số KP, KI, KD cho bộ điều khiển PID và quan sát đáp ứng của các mô-tơ trên đồ thị, mỗi đồ thị tương ứng cho một động cơ.
Dựa vào phương trình (4.5) chúng tôi chọn các giá trị KP phù để bắt đầu khảo sát điều khiển P, kết quả thu được như sau:
Hình 4.4. Điều khiển P với vận tốc đặt 720 vòng/phút
Với điều khiển P thì vận tốc của các mô-tơ ở trạng thái xác lập không thể bằng vận tốc giá trị điểm đặt. KP càng lớn, sai số xác lập càng nhỏ nhưng không thể loại trừ, và nếu KP quá lớn thì vận tốc các mô-tơ sẽ dao động mạnh. Vận tốc đặt càng nhỏ thì sai số xác lập càng lớn. Hình 4.4 minh họa sai số xác lập khi chỉ điều khiển P.
Tiếp tục thêm thành phần I, nghĩa là cho KI khác không, và bắt đầu với KI = 0,1, kết quả thu được như hình 4.5 sau:
Hình 4.5. Điều khiển P,I với KI= 0,1
Trong trường hợp có điều khiển I, vận tốc của các mô-tơ đã có thể đạt được đến giá trị vận tốc đặt, cụ thể trong trường hợp này là 480 vòng/phút, Tuy nhiên do KI bé nên thời gian quá độ còn khá lớn. Ta có thể tăng KI để vận tốc của mô-tơ đạt đến trạng thái xác lập nhanh hơn như ở hình 4.6.
Hình 4.6. Điều khiển P,I với KI= 0,5
Với các KI lớn hơn, bắt đầu xuất hiện hiện tượng quá điều khiển, với KI lớn hơn hoặc bằng 3 các mô-tơ bắt đầu dao động mạnh trước khi đạt được trạng thái xác lập như ở hình 4.7
Hình 4.7. Điều khiển P, I với KI= 3,5
4.3. Thảo luận:
Thông qua một số kết quả khảo sát chung tôi rút ra được một số kết luận cho quá trình điều khiển PID cho động cơ một chiều như sau:
Khi chỉ điều khiển P:
Khi điều khiển chỉ với tham số KP, luôn tồn tại một sai số xác lập khi hệ ở trạng thái xác lập, và sai số này không thể loại trừ chỉ với điều khiển P. Với tốc độ đặt càng bé, hoặc KP càng bé thì sai số xác lập càng lớn. Ta có thể giảm sai số xác lập bằng
cách tăng KP, nhưng nếu KP quá lớn sẽ làm hệ dao động mạnh và thậm chí không thể đạt được trạng thái xác lập. Theo hệ mà chúng tôi đang khảo sát thì với KP>15 thì hệ hoàn toàn mất ổn định.
Khi điều khiển PI
Điều khiển I được thêm vào giúp cải thiện đáp ứng của vận tốc mô-tơ, đưa vận tốc thực tế tiến được đến giá trị của vận tốc đặt, nghĩa là loại bỏ được sai số xác lập. KI
càng lớn thì thời gian quá độ càng nhỏ, nghĩa là thời gian để vận tốc các mô-tơ đạt đến giá trị đặt nhanh hơn. Tuy nhiên do có điều khiển I nên xảy ra hiện tượng quá điều chỉnh khi KI lớn. Giá trị KI chúng tôi chọn tối ưu cho hệ là 0,5 khi KP = 1. Với KI lớn hơn 3, hệ bắt đầu xuất hiện hiện tượng quá điều khiển.
Điều khiển D hầu như không có tác động đối với hệ thống các mô-tơ một chiều. Các thông số tối ưu mà chúng tôi lựa chọn qua quá trình khảo sát là:
KP = 1, KI = 0,5
Với hệ thống sẵn có, chúng tôi hoàn toàn có thể khảo sát để lựa chọn các thông số điều khiển tối ưu cho các hệ thống động cơ khác, với các tốc độ khác nhau, giúp cho các robot di động di chuyển với tốc độ ổn định hiệu quả.
Ngoài ra, với bộ điều khiển PID mà chúng tôi đã thiết kế, chúng tôi có thể phát triển ứng dụng cho việc điều khiển các hệ thống có quán tính khác, như hệ thống điều khiển nhiệt độ, hệ thống điều khiển chất lưu… với độ ổn định và chính xác cao.
KẾT LUẬN
Sau khi hoàn thành đề tài luận văn, chúng tôi đã đạt được một số kết quả như sau: - Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật điều kiển, các đặc tính, đặc trưng của một quá trình điều khiển, chất lượng của quá trình điều khiển và một số phương pháp nhằm nâng cao chất lượng điều khiển như hiệu chỉnh sớm pha, hiệu chỉnh trễ pha, hiệu chỉnh sớm-trễ pha, bộ điều chỉnh P, PI, PD và PID trên cơ sở đó để hình thành cơ sở lý luận cho việc thiết kế bộ điều khiển PID.
- Nghiên cứu và khảo sát đặc tính của động cơ một chiều như cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, công suất điện, mômen điện từ,… từ đó xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều. Tìm hiểu sâu hơn về bộ điều khiển PID và xây dựng lý thuyết điều khiển PID cho động cơ một chiều, xác định tác dụng của các thành phần điều khiển P, I, D lên hệ thống. Đây chính là cơ sở để chúng tôi tiến hành khảo sát, hiệu chỉnh thực nghiệm nhằm tìm ra các hệ số điều khiển tối ưu cho hệ thống.
- Thiết kế xây dựng thành công bộ điều khiển PID ứng dụng cho hai môtơ của robot di động bằng vi điều khiển PSoC, gồm các môđun giải mã tín hiệu lập mã quang hai kênh, môđun phát xung PWM điều khiển tốc độ động cơ, môđun truyền thông với máy tính theo chuẩn RS232. Thiết kế mạch điều khiển động cơ bằng mạch cầu H với độ ổn định, khả năng chống nhiễu cao, đáp ứng được với khả năng điều khiển với tốc độ lớn.
- Thiết kế giao diện phần mềm bằng MATLAB, truyền các tham số cho bộ điều khiển PID để dùng cho việc khảo sát và tìm các thông số tối ưu cho bộ điều.
- Tìm được các tham số tối ưu cho hệ thống điều khiển động cơ robot di động bằng thực nghiệm để hình thành một hệ điều khiển động cơ với độ chính xác và ổn định cao. Hệ điều khiển này hoàn toàn có thể áp dụng cho các hệ thống động cơ khác.
- Tuy nhiên, đề tài vẫn còn một số vấn đề tồn tại như: việc lựa chọn các hệ số cho bộ điều khiển PID mới chỉ dựa trên tác dụng của từng bộ điều khiển P, I, D để tìm ra các giá trị phù hợp cho hệ thống, và vì thế các thông số lựa chọn cho bộ điều khiển có thể không hoàn toàn tối ưu. Ngoài ra, hệ thống động cơ mà chúng tôi sử dụng có tín hiệu lập mã chỉ là 100 xung/vòng nên hạn chế trong việc giảm chu kỳ điều khiển PID, đó cũng là một trong những yếu tố làm giảm chất lượng của bộ điều khiển PID. Nếu sử dụng động cơ có tín hiệu lập mã có số xung trên mỗi vòng quay lớn hơn chúng tôi có thể tăng được chất lượng điều khiển, và sự ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển trên chưa được khảo sát trong phạm vi đề tài. Hướng nghiên cứu tới, và cũng là hướng phát triển của đề tài chính là cách khắc phục và giải quyết những vấn đề vừa nêu trên.