Luận văn Xây dựng bộ điều khiển P, PI, PID truyền thống cơ khả năng dùng cho các hệ điều chỉnh

CHƯƠNG 1

1.1. KHÁI NIỆM.

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế

phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi

trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng

phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID

tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá

trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách

điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức

cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên,

để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải

điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống

nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do

đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và

đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện

tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị

vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác

động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như

vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những

giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số

hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số

tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.- 4 -

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID,

bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng

của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều

khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ

thống. Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo

tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ

thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không

mong muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD,

P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết . Bộ điều khiển PI khá phổ biến,

do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá

trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.

Chú ý: Do sự đa dạng của lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng điều khiển,

nhiều qui ước đặt tên cho các biến có liên quan cùng được sử dụng.

pdf 65 trang chauphong 19/08/2022 14060
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Xây dựng bộ điều khiển P, PI, PID truyền thống cơ khả năng dùng cho các hệ điều chỉnh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Luận văn Xây dựng bộ điều khiển P, PI, PID truyền thống cơ khả năng dùng cho các hệ điều chỉnh

Luận văn Xây dựng bộ điều khiển P, PI, PID truyền thống cơ khả năng dùng cho các hệ điều chỉnh
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG 
Luận văn 
Xây dựng bộ điều khiển P, PI, 
PID truyền thống cơ khả năng 
dùng cho các hệ điều chỉnh 
- 1 - 
LỜI MỞ ĐẦU 
Từ thuở xa xưa con người đã từng nghĩ và chế tạo ra những thiết bị điều 
khiển tự động nhằm mục đích giảm sức lực, tăng năng suất lao động và tăng 
của cải vật chất cho xã hội. Những thiết bị điều khiển tự động ngày càng hoàn 
thiện theo thời gian, theo sự hiểu biết và nhu cầu của con người. Những hệ 
thống điều khiển ban đầu loài người phát minh ra là những hệ thống điều 
khiển cơ học đơn giản như cơ cấu điều khiển đồng hồ nước Ktesibios ở thành 
phố Alexandra, Ai Cập (Egypt) trước công nguyên hay thiết bị điều khiển vận 
tốc (flyball governor) do James Watt phát minh vào cuối thế kỷ 18. Nhu cầu 
sử dụng hệ thống điều khiển tự động ngày càng gia tăng. Những hệ thống 
điều khiển tự động đặc biệt phát triển mạnh hơn khi có những phát minh mới 
về điện điện tử, công nghệ bán dẫn và công nghệ máy vi tính trong thế kỷ 20. 
Những hệ thống điều khiển tự động có nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào 
cách phân loại. Nếu phân loại theo cách thức vận hành và chuyển hóa năng 
lượng chúng ta có thể phân chia thành hệ thống cơ học (mechanical systems), 
hệ thống thủy lực học (hydraulic systems), hệ thống hơi (pneumatic systems), 
hệ thống điện điện tử (electric and electronic systems), hệ thống điều khiển 
kết hợp giữa các loại trên. Những hệ thống điều khiển tự động ngày nay phổ 
biến hơn cả là những hệ thống điện và điện tử. Nếu phân chia những hệ thống 
điện và điện tử theo loại tín hiệu, chúng ta có hệ thống điều khiển tín hiệu liên 
tục (analogue control systems) và hệ thống điều khiển số (digital control 
system) hay còn gọi là hệ thống điều khiển bằng máy tính(computer-based 
control systems). Xu thế chung ngày nay ngày càng xuất hiện nhiều hệ thống 
điều khiển bằng máy tính. 
Lý thuyết điều khiển hiện đại, công nghệ thông tin (phần cứng, phần 
mềm, kỹ thuật mạng, kỹ thuật giao diện và kỹ thuật không dây) công nghệ 
- 2 - 
bán dẫn và công nghệ tạo hệ thống chip khả trình (programmable system on a 
chip) đang mở ra những hướng mới trong việc thiết kế hệ thống điều khiển tự 
động dùng cho công nghiệp và trong đời sống hàng ngày. Hệ thống vệ tinh 
dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) cùng với các 
vệ tinh viễn thông (Telecommunication Satellites) ngày càng mang lại nhiều 
ứng dụng thiết thực trong việc phát triển hệ thống điều khiển tự động dùng 
trong nhiều lĩnh vực khác nhau và có độ chính xác cao. 
Được sự cho phép và hướng dẫn tận tình của GS.TSKH Thân Ngọc 
Hoàn trưởng bộ môn Điện tự công nghiệp trường ĐH Dân lập Hải Phòng, và 
các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tự động công nghiệp em đã bắt tay vào 
nghiên cứu và thực hiện đề tài “Xây dựng bộ điều khiển P, PI, PID truyền 
thống cơ khả năng dùng cho các hệ điều chỉnh” do GS.TSKH Thân Ngọc 
Hoàn hướng dẫn chính. Đề tài gồm những nội dung chính sau: 
 Chương 1: Các bộ điều khiển dùng trong hệ thống tự động. 
 Chương 2: Các . 
 Chương 3: 
. 
 Nhưng em là một sinh viên mới bắt tay vào việc nghiên cứu nên em 
không tránh khỏi nhưng thiếu sót và cũng như không tối ưu của vấn đề. Do đó 
em rất mong sự thông cảm và bỏ qua của thầy cô về những sai sót của em 
trong bản thiết kế và em mong muốn nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các 
thầy cô trong bộ môn để cho em học hỏi và rút kinh nghiệm về sau. 
- 3 - 
CHƯƠNG 1 
. 
1.1. KHÁI NIỆM. 
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế 
phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi 
trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng 
phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID 
tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá 
trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách 
điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức 
cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, 
để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải 
điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống 
nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. 
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do 
đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và 
đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện 
tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị 
vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác 
động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như 
vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những 
giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số 
hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số 
tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. 
- 4 - 
Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, 
bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng 
của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều 
khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ 
thống. Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo 
tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống. 
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ 
thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không 
mong muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, 
P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết . Bộ điều khiển PI khá phổ biến, 
do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá 
trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn. 
Chú ý: Do sự đa dạng của lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng điều khiển, 
nhiều qui ước đặt tên cho các biến có liên quan cùng được sử dụng. 
1.2. . 
1.2.1. . 
 Một dạng của mạch sớm pha được gọi là bộ điều khiển tỷ lệ 
(proportional controller, hay P controller)
: 
)()( vàora tuKtu P (1.1) 
 Hàm truyền của bộ điều khiển P có dạng: 
)(
)(
)(
vào
ra
sU
sU
sGP (1.2) 
. 
Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỉ lệ được hình thành theo công thức: 
 .px K e (1.3) 
- 5 - 
 Trong đó: Kp là hệ số khuếch đại của quy luật. Theo tính chất của khâu 
khuếch đại (hay khâu tỷ lệ) ta thấy tín hiệu ra của khâu luôn luôn trùng pha 
với tín hiệu vào. Điều này nói lên ưu điểm của khâu khuếch đại là có độ tác 
động nhanh. Vì vậy, trong công nghiệp, quy luật tỉ lệ làm việc ổn định với 
mọi đối tượng. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của khâu tỉ lệ là khi sử dụng 
với các đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm 
giá trị sai lệch tĩnh thì phải tăng hệ số khuếch đại nhưng khi đó, tính dao động 
của hệ thống sẽ tăng lên và có thể làm hệ thống mất ổn định. 
 Trong công nghiệp, quy luật tỉ lệ thường được dùng cho những hệ thống 
cho phép tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh, quy luật tỉ lệ thường được 
hình thành theo biểu thức: 
0 Px x K e (1.4) 
 Trong đó x0 là điểm làm việc của hệ thống. Tác động điều khiển luôn 
giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị này khi xuất hiện sai 
lệch. 
Hình dưới mô tả quá trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau. 
Hình 1.1: Quá trình điều khiển với các hệ số P khác nhau. 
Hệ số KP càng cao thì sai số xác lập và quá điều khiển càng lớn. 
. 
Giả sử bài toán ở đây là điều khiển tốc độ động cơ với tín hiệu đặt tốc độ 
là r = 1000 vòng/phút, Kp = 15. Ta thử khảo sát xem sự biến thiên của tín 
hiệu ra của bộ điều khiển theo thời gian sẽ như thế nào. 
- 6 - 
Giả thiết tại thời điểm t = 0 tín hiệu ra của hệ thống y = 0. Khi đó, tín 
hiệu sai lệch sẽ là e = r – y = 1000. Đầu ra của bộ điều khiển là u = Kp e = 
15 1000 = 1500. Tín hiệu này sẽ được đưa đến đầu vào của đối tượng cần 
điều khiển làm cho đầu ra của nó bắt đầu tăng lên, dẫn đến bắt đầu giảm. 
Trong một số trường hợp, do quán tính của hệ thống, khi sai lệch e = 0 
(nghĩa là đầu ra y đã bằng với giá trị đặt r ) làm cho u = Kp e = 0 nhưng tốc 
độ của động cơ vẫn tiếp tục gia tăng. 
Khi tốc độ vượt quá tốc độ đặt thì tín hiệu ra của bộ điều khiển đảo 
chiều, đồng thời quán tính của hệ cũng giảm dần làm cho tốc độ càng giảm 
nhanh. 
Khi tốc độ giảm xuống dưới tốc độ đặt thì tín hiệu ra u của bộ điều khiển 
lại lớn hơn 0, làm cho tốc độ lại tăng lên nhưng với quán tính nhỏ hơn. 
Sau một vài chu kỳ dao động như trên thì tốc độ động cơ sẽ ổn định ở 
một giá trị nào đó, phụ thuộc vào các tham số của hệ thống. 
a. Sai lệch tĩnh 
Đối với quy luật điều chỉnh P, khi tốc độ của động cơ bằng với tốc độ đặt 
e = 0 thì tín hiệu điều khiển u = Kpe cũng bằng 0 và, do đó, tốc độ động cơ sẽ 
bị kéo giảm xuống. Vì vậy, muốn u 0 thì e phải khác 0. Nghĩa là phải luôn 
có một sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đầu ra thực tế của tín hiệu điều 
khiển. 
Trong ví dụ trên, giả sử sau khi ổn định thì tốc độ động cơ đạt 970 
vòng/phút thì sai lệch tĩnh sẽ là e = 1000 – 970 = 30 vòng/phút và tín hiệu ra 
của bộ điều khiển sẽ là u = Kpe = 15 30 = 450. 
b. Giảm sai lệch tĩnh 
Nếu tăng Kp lên 150 chẳng hạn thì sai lệch tĩnh e chỉ cần bằng 3 là có 
thể đủ để tạo ra một tín hiệu điều khiển bằng 450 để duy trì một mômen đủ 
lớn giữ cho động cơ quay. Rõ ràng, khi tăng Kp thì có thể làm giảm được sai 
- 7 - 
lệch tĩnh. Tuy nhiên, nếu Kp tăng quá lớn thì hệ có thể bị dao động, không ổn 
định. 
. 
. 
 Một dạng của mạch chậm pha được gọi là bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân 
(proportional-integral controller, hay PI controller), vì phương trình của nó 
bao gồm hai thành phần, tỷ lệ và tích phân, có dạng như sau: 
t
IP duKtuKtu
0
vàovàora )()()( (1.5) 
 Hàm truyền của bộ điều khiển PI có dạng: 
s
K
K
sU
sU
sG IPPI
)(
)(
)(
vào
ra
 (1.6) 
 Tương tự như đối với bộ điều khiển PD, khi sử dụng mạch bù có hàm 
truyền GPI(s) này, chúng ta có thể điều chỉnh ảnh hưởng của mạch bù, qua đó 
điều chỉnh đáp ứng của hệ thống bằng cách thay đổi hai tham số KP và KI. 
Chúng ta có thể sử dụng mạch chậm pha như trong Hình 1.10 để làm bộ điều 
khiển PI. Khi đó, các phần tử của mạch phải được chọn sao cho rất lớn để 
hàm truyền của mạch chậm pha có điểm cực gần bằng không. Hàm truyền của 
mạch chậm pha khi đó có thể xấp xỉ được như sau: 
ss
s
s
s
sGc
)(11
1
11
1
1
)( (1.7) 
 Đó chính là dạng của hàm truyền của bộ điều khiển PI. 
- 8 - 
Hình 1.2: Mạch của khâu hiệu chỉnh PI. 
 Mạch sớm pha được sử dụng để tạo ra một góc sớm pha, nhờ đó có được 
dự trữ pha như mong muốn cho hệ thống. Việc sử dụng mạch sớm pha cũng 
có thể biểu diễn được trên mặt phẳng s như một phương pháp làm thay đổi 
quỹ tích nghiệm của phương trình đặc trưng. Còn mạch chậm pha, mặc dù có 
ảnh hưởng làm giảm tính ổn định của hệ thố ... ------------------------------------------------------------------------- 
20 s^5 + 120.8 s^4 + 307.2 s^3 + 312 s^2 + 17.72 s + 0.4793 
- 48 - 
Ta nhận được quá trình quá độ: 
Đồ thị các điểm cực và điểm không: 
Ta thấy rằng: 
- Thời gian quá độ : tqd= 141s. 
- Độ quá điều chỉnh: σ max= 3.82%. 
- Các điểm cực và điểm không: 
p = 
-1.8924 + 1.7658i 
-1.8924 - 1.7658i 
-2.1960 
-0.0293 + 0.0278i 
-0.0293 - 0.0278i 
z = 
1.8389 + 1.7544i 
1.8389 - 1.7544i 
2.3222 
-0.1500 
3.3 BỘ ĐIỀU CHỈNH DÙNG THUẬT TOÁN PID. 
3.3.1 Yêu cầu thiết kế. 
Với hàm truyền: 
WPID(s) = Kp(1+ 
sTj.
1
+ Tds) (3.3) 
Với các tham số Kp,Ti,Td chỉnh định được. 
Đối tượng là khâu trễ và khâu quán tính bậc nhất có hàm truyền: 
1
)(
Ts
e
sW
Ls
ĐT (3.4) 
- 49 - 
Thuật toán PID có thể mô tả như hình sau.Bộ điều khển PID sẽ giám sát 
đầu ra của hệ thống, sau đó so sánh với giá trị mong muốn. nếu hệ thống chưa 
đạt được gái trị mong muốn, nghĩa là e khác không, bộ PID sẽ tính toán ra giá 
trị tác động u mới, tác động vào hệ thống để hiệu chỉnh hệ thống, quá trình sẽ 
được thực hiện liên tục cho đến khi nào e =0, lúc đó hệ thống sẽ đạt trạng thái 
ổn định. Hệ thống như thế còn gọi là hệ thống điều khiển vòng kín (Closed 
Loop Control). Vì nó có hồi tiếp trạng thái của hệ thống về bộ điều khiển. 
Với tham số L,T cho trước: L/T=0.1; T=20. 
2. Tính toán các tham số Kp,Ti,Td đảm bảo tính ổn định và chất lượng 
của hệ thống ( theo Ziegler-Nichols ). 
3. Xét tính ổn định của hệ thống. Tìm các điểm cực và điểm không. 
4. Khảo sát chất lượng, và chọn các tham số với các quy luật P, PI, PID 
đảm bảo cho hệ thống có chất lượng tốt nhất ( chỉnh định bằng tay ). 
5. Tính tham số tối ưu của bộ điều khiển PID dùng hàm least-squares ( 
sai số bình phương nhỏ nhất ) với các tham số L và T đã cho. 
3.3.2. Tính toán với MATLAB. 
a. Tính toán các tham số Kp, Ti, Td đảm bảo tính ổn định và chất lượng 
của hệ thống: 
Hình 3.9: Sơ đồ hệ thống dùng thuật toán PID. 
- 50 - 
Từ công thức thực nghiệm của Ziegler-Nichols: 
Bảng 3.1: Các tham số điều khiển. 
Luật điều khiển Kp Ti Td 
P T/L ∞ 0 
PI 0.9T/L 10L/3 0 
PID 1.2T/L 2L 0.5L 
Với các tham số: 
L/T=0.1 
T=20 
Ta có: 
L=2 
T=20 
Khi đó ta có các tham số điều khiển như sau: 
Bảng 3.2: Các tham số điều khiển. 
Luật điều khiển Kp Ti Td 
P 10 ∞ 0 
PI 9 6.667 0 
PID 12 4 1 
b. Xét hệ thống với các luật điều khiển P, PI, PID : 
Từ hàm truyền của đối tượng: 
 1
)(
Ts
e
sW
Ls
ĐT (3.5) 
Khai triển Taylor ta được hàm truyền của khâu trễ gần đúng ( lấy đến 
bậc 3 ) như sau: 
- 51 - 
>> T=20;L=0.1*T; 
>> [num,den]=pade(L,3); 
>> Wtre=tf(num,den) 
Transfer function: 
-s^3 + 6 s^2 - 15 s + 15 
------------------------------- 
s^3 + 6 s^2 + 15 s + 15 
>> Wdt=tf(1,[T 1])*Wtre 
Transfer function: 
-s^3 + 6 s^2 - 15 s + 15 
------------------------------------------------------ 
20 s^4 + 121 s^3 + 306 s^2 + 315 s + 15 
Với các luật P, PI, PID ta có các thông số Kp, Ti, Td khác nhau. 
c. Luật PID: 
Hàm truyền của bộ điều khiển PID: 
s
KsKsK
sW
ipd
PID
2
)( (3.6) 
Chương trình Matlab như sau: 
>> T=20;L=T*0.1; 
>> [num,den]=pade(L,3); 
>> Wtre=tf(num,den) 
Transfer function: 
-s^3 + 6 s^2 - 15 s + 15 
------------------------ 
s^3 + 6 s^2 + 15 s + 15 
>> Wdt=tf(1,[L 1])*Wtre 
Transfer function: 
- 52 - 
-s^3 + 6 s^2 - 15 s + 15 
----------------------------------- 
2 s^4 + 13 s^3 + 36 s^2 + 45 s + 15 
>> Kp=1.2*T/L; 
>> Ti=2*L; 
>> Td=0.5*L; 
>> Kd=Kp*Td; 
>> Ki=Kp/Ti; 
>> Wpid=tf([Kd Kp Ki],[1 0]); 
>> Who=Wpid*Wdt; 
>> Wkin=feedback(Who,1) 
Transfer function: 
12 s^5 - 60 s^4 + 111 s^3 - 18 s^2 - 135 s - 45 
----------------------------------------------- 
10 s^5 - 73 s^4 + 75 s^3 - 63 s^2 - 150 s - 45 
>> pzmap(Wkin) 
>> step(Wkin) 
>> nyquist(Who) 
>> [p,z]=pzmap(Wkin) 
p = 
6.3349 
0.9673 + 1.4460i 
0.9673 - 1.4460i 
-0.5000 
-0.4694 
z = 
1.8389 + 1.7544i 
1.8389 - 1.7544i 
- 53 - 
2.3222 
-0.5000 
-0.5000 
Sau khi chạy chương trình Matlab ta thu được các kết quả sau: 
Quá trình quá độ của hệ thống: 
Hình 3.10: Quá trình quá độ của hệ thống. 
Đồ thị các điểm cực và điểm không: 
Hình 3.11: Đồ thị các điểm cực và điểm không. 
- 54 - 
Đường đặc tính tần: 
Hình 3.12: Đường đặc tính tần. 
3.3.3. Nhận xét. 
Với các thông số ban đầu của bộ điều khiển PID tính theo công thức thực 
nghiệm của Ziegler-Nichols thì hệ thống không ổn định. Tồn tại điểm cực 
nằm bên phải trục ảo, quá trình quá độ không tắt dần theo thời gian. 
Chỉnh định để hệ thống ổn định với chất lượng tốt nhất: 
>> Kp=0.16;Kd=0.16;Ki=0.13; 
>> Wpid=tf([Kd Kp Ki],[1 0]); 
>> Who=Wpid*Wdt; 
>> Wkin=feedback(Who,1) 
Transfer function: 
-0.16 s^5 + 0.8 s^4 - 1.57 s^3 + 0.78 s^2 + 0.45 s + 1.95 
------------------------------------------------------------ 
1.84 s^5 + 13.8 s^4 + 34.43 s^3 + 45.78 s^2 + 15.45 s + 1.95 
>> step(Wkin) 
- 55 - 
>> pzmap(Wkin) 
>> nyquist(Who) 
>> [p,z]=pzmap(Wkin) 
p = 
-4.4659 
-1.3086 + 1.5164i 
-1.3086 - 1.5164i 
-0.2084 + 0.1254i 
-0.2084 - 0.1254i 
z = 
1.8389 + 1.7544i 
1.8389 - 1.7544i 
2.3222 
-0.5000 + 0.7500i 
-0.5000 - 0.7500i 
Kết quả: 
Đồ thị quá trình quá độ: 
Hình 3.13: Đồ thị quá trình quá độ. 
- 56 - 
Đồ thị các điểm cực và điểm không: 
Hình 3.14: Đồ thị các điểm cực và điểm không. 
Đặc tính tần: 
Hình 3.15: Đặc tính tần. 
Ta thấy rằng: 
- Thời gian quá độ : tqd= 18.1s. 
- 57 - 
- Độ quá điều chỉnh: σ max= 0.516%. 
- Đường đặc tính tần đã bao lấy điểm Nyquist. Hệ thống là một hệ ổn 
định. 
Kết luận: 
Các tham số tối ưu của bộ điều khiển PID ứng với đối tượng đã biết hàm 
truyền: 
Kp =1.0935 
Ki = 0.0731 
Kd =-0.3411 
Với các tham số tối ưu này hệ thống đạt chất lượng tốt nhất. 
- 58 - 
3.4. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN. 
Sơ đồ khối chức năng của hệ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 
Hình 3.16: Sơ đồ khối chức năng của hệ điều khiển sử dụng bộ điều khiển 
PID. 
Mạch điều khiển PID 
Hình 3.17: Mạch điều khiển PID. 
- 59 - 
 Những thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển được thể hiện 
trên ( Hình 3.18). Khâu phản hồi cung cấp giá trị thực tế một cách liên tục. Nó 
so sách giá trị bạn đặt, Vset, với giá trị hiện tại của hệ thống, Vsensor, bằng 
cách tính toán sự khác biệt giữa hai giá trị, Verr = Vset – V sensor. Bộ điều 
khiển PID có lỗi này và xác định lại điện áp và xử lý để mang lại Vset = 
Vsensor hoặc Verr = 0. 
Hình 3.18: Sơ đồ mạch PID hoàn chỉnh. 
Khâu phản hồi 
Một mạch cổ điển tính toán lỗi là một amp op tổng hợp. Trong bộ điều 
khiển XOP1 thực hiện tính toán lỗi. Amp tổng hợp là một amd đảo, em tính 
toán hiệu năng của nó và sử dụng R1 = R2 = R3 = 10 kΩ. 
Verr = - (Vset / R1 + Vsensor / R2) ∙ R3 
 = (Vset + Vsensor) ∙ (10 k / 10 k) 
 = - (Vset + Vsensor) 
Nhưng làm thế nào hệ thống tính toán sai lệch? Vâng, nó không yêu cầu 
mạch cảm biến của bạn tạo ra một điện áp đầu ra tiêu cực. Giả sử Vsensor là 
- 60 - 
tiêu cực của Vsensor cảm biến điện áp thực tế = -Vsen, bạn sẽ thấy sự khác 
biệt. 
 Verr = -(Vset – Vsens) (3.7) 
Bạn có thể xem xét chức năng của amp lỗi theo cách này. Khi Vsensor là 
tiêu cực Vset, dòng điện qua R1 và R2 bình đẳng và đối diện, triệt tiêu lẫn 
nhau khi đi vào ngã ba tổng hợp amp op. Nó kết thúc với lỗi hiện tại thông 
qua R3 và dĩ nhiên là 0V, hoặc không có ở đầu ra. Bất kì sự khác biệt giữa 
Vset – Vsensor, kết quả là trong một điện áp lỗi tại đầu ra bộ điều khiển PID 
có thể hoạt đông theo. 
OUTPUT PROCESS: EOUT đại diện cho một mô hình rất đơn giản 
của một quá trình được kiểm soát, chẳng hạn như tốc độ động cơ. 
SENSOR: Cảm biến sẽ cho bạn biết tốc độ thực tế của động cơ, 1v/100 
RPM cho tachometer này. ESENSOR mô hình thiết bị này là thông tin phản 
hồi. 
Điều chỉnh bộ điều khiển PID 
Các giá trị thành phần mạch ban đầu làm cho P yếu và hầu như không 
đáng kế so với D 
Mặc dù có rất nhiều cách để điều chỉnh PID, đây là một cách đơn giản 
để kiểm tra bộ điều khiển này. 
1. SET Kp: Bắt đầu với Kp = 5, Ki = 0 và Kd = 0. Từng bước tăng Kp 
để giảm lỗi cho đến khi hiệu suất vượt qua mức cho phép. 
2. SET Kd: Tăng Kd để giảm quá đích đến một mức độ chấp nhận được. 
3. SET Ki: Tăng Ki để mang lại lỗi cuối cùng bằng 0. 
- 61 - 
Hình 3.19: Mạch PID thực tế. 
- 62 - 
Kết luận: 
Vì khả năng còn hạn chế nên em thực hiện một mạch điện đơn giản với 
điện áp đặt ở đầu vào Vset có thể điều chỉnh từ 0 đến 5V. 
Các giá trị điện trở RP1 = RP2 = RC = RD = RI = R4 = R5 = R6 = R7 
= R8 = R9 = 100kΩ. (vì vậy mạch điện của em không thể điều chỉnh các hệ 
số PID như một mạch thực sự). 
Các giá trị tụ điện CD = CI = 0,47μF. 
Các bộ khuếch đại thuật toán trong mạch được tích hợp trong IC 
TL084CN được cấp nguồn ±15V. 
Mạch điện không có khâu phản hồi so với một hệ thống hoàn chỉnh. 
- 63 - 
KẾT LUẬN 
 Trên đây em đã trình bày tất cả những cơ sở lỳ thuyết xoay quanh đề tài 
“Xây dựng bộ điều khiển P, PI, PID truyền thống có khả năng dùng cho các 
bộ điều chỉnh” mà bản thân em đã thu thập được, từ đó chế tạo thành công và 
đưa hệ thống vào hoạt động như một bài thí nghiệm thực tế về hệ truyền đông 
điện một chiều. Sau khi hoàn thành đồ án này đã giúp em đạt được những vấn 
đề sau: 
 Tìm hiều các bộ điều khiển trong hệ thống tự động 
 Tìm hiểu các bộ khuếch đại thuật toán 
 Xây dựng bộ điều khiển truyền thống có khả năng dùng cho các 
hệ điều chỉnh 
 Với vốn kiến thức còn hạn hẹp của bản thân, cộng thêm nguồn tài liệu 
có những hạn chế nhất định mà đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. 
Em rất mong nhận được ý kiến góp ý, cũng như những lời nhận xét từ phía 
các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn sinh viên, đồng nghiệp đế đồ án này 
được hoàn thiện hơn. 
 Em xin chân thành cảm ơn ! 
- 64 - 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền, Cơ sở truyền 
động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 
2. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn – TS Nguyễn Tiến Ban, Điều khiển tự động 
các hệ thống Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 
3. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy Điện, Nhà xuất bản Xây Dựng. 
4. Lê Văn Doanh – Nguyễn Thế Công – Trần Văn Thịnh, Điện tử công 
suất Lý thuyết thiết kế ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 
5. Nguyễn Xuân Phú - Tô Đằng (1996), Khí cụ điện-Kết cấu sử dụng và 
sửa chữa, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 
6. Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittric, Truyền động điện thông minh, 
Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật. 
7. Phạm Văn Chới ( 2005),Khí Cụ Điện, Nhà xuất bản Khoa học và kĩ 
thuật. 
8. ThS. Pham Thanh Huyền – ThS. Đỗ Việt Hà, Linh kiện điện tử căn 
bản, Nhà xuất bản Thông tin và truyền thông. 
9. Trần Văn Thịnh, Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhá xuất 
bản Giáo dục. 
10. Website www.ebook.edu.vn 
11. Website www.xbook.com.vn 
12. Website tailieu.vn 

File đính kèm:

  • pdfluan_van_xay_dung_bo_dieu_khien_p_pi_pid_truyen_thong_co_kha.pdf