Caáu truùc boä ñieàu khieån PID öùng duïng trong ñieàu khieån töï ñoäng

1. Caáu truùc boä ñieàu khieån PID öùng duïng trong ñieàu khieån töï ñoäng Nhoùm 7: Traàn Troïng Hieáu Döông Quoác Taøi Traàn Hoaøng Duõng

2. Giôùi Thieäu • Cuïm töø Proportional-integral-derivative (PID) controller ( boä ñieàu khieån PID) ngaøy nay ñuôïc moâ taû trong haàu heát caùc saùch giaùo khoa veà ñieàu khieån töï ñoäng • ÖÙng duïng cuûa boä ñieàu khieån PID ñöôïc traûi roäng trong töï ñoäng hoùa xöû lyù cô hoïc nôi maø vieäc ñieàu khieån ñoäng cô ñang laø moät vaán ñeà quan taâm • Chuùng ta seõ hoïc hai caáu truùc PID cô baûn cho vieäc ñieàu chænh vò trí cuûa ñoäng cô DC • Caáu truùc thöù nhaát döïa vaøo boä vi phaân tæ leä vò trí PI coäng vôùi boä hoài tieáp vaän toác • Caáu truùc thöù hai laø caáu truùc hoài tieáp hai voøng coù thöù töï coù boä hoài tieáp vaän toác beân trong vaø hoài tieáp vò trí beân ngoaøi

3. Khôûi ñoäng • Moâ taû ñoäng hoïc tuyeán tính coå ñieån cuûa moät ñoäng cô DC ñöôïc cho bôûi : Trong ñoù : q : laø output chæ vò trí goùc cuûa truïc quay v : laø ñieän aùp ñaët vaøo ñoäng cô J : moâ men quaùn tính truïc quay fv : löïc ma saùt Ka , Kb , Ra laø nhöõng haèng soá döông ñaëc tröng cho ñaëc tính ñieän hoïc cuûa ñoäng cô

4. Khôûi ñoäng PID MOTOR

5. Khôûi ñoäng • Muïc tieâu ñieàu chænh vò trí nhaèm muïc ñích thoûa maõn • trong ñoù qd laø tín hieäu ñaët chæ goùc quay mong muoán • Caáu truùc PID cô baûn ñöôïc vaän haønh bôûi ñoä sai leäch vò trí ñònh nghóa bôûi

6. Khôûi ñoäng • Boä ñieàu khieån vi tích phaân tæ leä laø boä ñieàu khieån maø haøm truyeàn coù daïng : Trong ñoù s laø bieán Laplace • Bieåu dieãn trong mieàn thôøi gian : • Deã daøng thaáy ñöôïc p laø toaùn töû ñaïo haøm (d/dt) trong mieàn thôøi gian • Kp , KI, KD laø caùc heä soá tæ leä , heä soá tích phaân vaø heä soá vi phaân

7. Khôûi ñoäng • Vaäy aùp nhaän ñöôïc sau khi ñieàu khieån laø

8. Caáu truùc thöù nhaát MOTOR

9. Caáu truùc thöù nhaát • Döïa vaøo hình beân ta coù • Maø • => • Vaäy • (1)

10. Caáu truùc thöù nhaát • Ñaët (2) • Thay vaøo (1)ta coù (3) • Thay (3) vaøo phöông trình moâ taû ñoäng cô DC Ta ñöôïc (4) • Löu yù , • Ña thöùc ñaëc tröng baäc ba cuûa (4)

11. Caáu truùc thöù nhaát • Laäp baûng Routh caùc heä soá Ka, Kb , Ra , J , fv ñeàu laø caùc heä soá döông neân ñeå heä thoáng oån ñònh caàn >0 Ruùt goïn (*)

12. Caáu truùc thöù nhaát • Vì vaäy ta phaûi choïn caùc ñoä lôïi k’p , k’v, k’i kheùo leùo sao cho heä thoáng thoûa ñieàu kieän oån ñònh (*) • Dó nhieân caùc heä soá Ka, Kb,Ra,J ,fv ñeàu phaûi bieát tröôùc , ví duï theo thöïc nghieäm cho cho ñoäng cô DM1004C ngöôøi ta ño ñaïc vaø tính toaùn ñöôïc baûng sau

13. Caáu truùc hai voøng hoài tieáp thöù töï MOTOR

14. Caáu truùc thöù hai • Döïa vaøo hình beân ta coù • Ñaët • => (5) • Vaø (6) • Ta coøn coù (7) • Vôùi caùc heä soá ñieàu khieån kv,ki, laø caùc haèng soá döông ,vaø ñöôïc xaùc ñònh döïa treân tích soá (Ra/Ka)J

15. Caáu truùc thöù hai • .Vì qd ñöôïc xem nhö laø khoâng ñoåi neân • (8) • thay(6), (7) &(8) vaøo (5) ,ta coù: (9) • Ñoàng nhaát giöõa (1) vaø (9) ,ta coù :

16. Caáu truùc thöù hai • Thay (9) vaøo phöông trình moâ taû ñoäng cô DC • Ta ñöôïc : (10) • Vôùi fd ñöôïc ñònh nghóa • Ña thöùc ñaëc tröng baäc ba cuûa (10) laø

17. Caáu truùc thöù hai • Laäp baûng Routh –Hurwitz töông töï nhö treân ,ñeå coù heä thoáng kín oån ñònh thì : • vaø

18. Caáu truùc thöù hai • Suy ra k,kv ,ki phaûi döông vaø • (**) • Toùm laïi , vieäc thöïc hieän boä ñieàu khieån PID hai voøng hoài tieáp , ñaûm baûo tính oån ñònh cho heä thoáng kín chæ caàn choïn caùc thoâng soá k,kv vaø ki phaûi döông vaø phai lôùn hôn (Ra/Ka)J cho tröôùc • Ñieàu ñaùng chuù yù laø ñieàu kieän (** ) deã kieåm tra hôn ( *) ñöôïc neâu leân cho tính oån ñònh cuûa boä ñieàu khieån PID thöïc hieän theo caáu truùc ñaàu vì caáu truùc ñaàu caàn ñieàu khieån raát nhieàu heä soá ñieàu khieån cuõng nhö phaûi ño ñaïc nhieàu caùc thoâng soá ñoäng cô : fv vaø Kb

19. Keát quaû thöïc nghieäm

20. Keát quaû thöïc nghieäm • Thí nghieäm treân ñoäng cô DC ñöôïc tieán haønh ñeå cho thaáy söï thöïc thi cuûa boä ñieàu khieån PID • Thí nghieäm ñöôïc moâ taû trong hình treân .Ñoäng cô ñöïôc söû duïng trong thí nghieäm laø loaïi DM1004C cuûa Compumotor. Ñoäng cô naøy ñöôïc trang bò boä encoder quang 655360 xung/ voøng • Thuaät toaùn ñieàu khieån döïa treân khaâu tích phaân tæ leä PI hoài tieáp sai soá vaän toác ñöôïc laäp trình baèng ngoân ngöõ C vaø thöïc thi vôùi chu kyø laáy maãu h= 2,5 ms • Thöïc nghieäm cho thaáy löïc ma saùt tónh coù aûnh höôûng tôùi truïc quay cuûa ñoäïng cô, taùc giaû xem ñoù nhö laø tín hieäu nhieãu trong suoát quaù trình thí nghieäm

21. Keát quaû thöïc nghieäm • Caùc thoâng soá thöïc nghieäm : • Thí nghieäm ñöôïc tieán haønh vôùi ñieàu kieän ñaàu q(0) = 0 , q’(0) = 0 • Vò trí truïc mong muoán laø 450 vaø caùc thoâng soá ñieàu khieån laø : • k=2 (s-1) • ki = 1 (V/rad) • kv = 0.001 ( Vs/rad) • = 0.001(V kg m2 /[N m rad]) • Caùc thoâng soá treân thoõa maõn ñieàu kieän (**) neân heä thoáng kín oån ñònh

22. Keát quaû thöïc nghieäm • Söï bieán thieân cuûa sai soá vò trí ñöôïc cho bôûi hình beân • Ñaùp öùng quaù ñoä cuûa sai soá vò trí tieán veà 0 nhanh • Tình huoáng naøy laø ñaùp öùng ñieån hình cuûa heä thoáng tuyeán tính oån ñònh theo quy luaät haøm muõ • Ñaùp öùng coù theå nhanh hôn khi ta taêng ñoä lôïi cho kv

23. Keát luaän • Ña soá caùc boä ñieàu khieån trong coâng nghieâp laø boä ñieàu khieån PID tuyeán tính .Coù nhieàu lyù do cho söï löïa choïn naøy bao goàm tính lòch söû phaùt trieån laâu daøi cuûa noù vaø deã daøng söû duïng • Öùng duïng cuûa boä ñieàu khieån PID ñieàu khieån ñoäng cô DC thì raát phoå bieán trong cô töï ñoäng . • Döïa vaøo tín hieäu phaûn hoài saün coù töø ño löôøng , chuùng ta coøn raát nhieàu giaûi phaùp cho vieäc thöïc thi boä ñieàu khieån PID . Taøi lieäu naøy chæ ñöa ra hai caáu truùc cô baûn quan taâm chuû yeáu ñeán vaán ñeà oån ñònh

24. Xin chaân thaønh caùm ôn vaø xin heïn gaëp laïi trong chöông trình kyø sau , baét ñaàu luùc 19 giôø, thaân aùi chaøo taïm bieät Thöïc hieän : Traàn Troïng Hieáu Döông Quoác Taøi Traàn Hoaøng Duõng