Thiết kế bộ điều khiển cho hệ SISO (07) - Trịnh Hoàng Minh

UN
Uni24h
0 lượt tải
43
0

Nội dung tài liệu

Trang 1

Lý thuyết Điều khiển Tự động Thiết kế bộ điều khiển cho hệ SISO Trường Điện – Điện tử Đại học Bách Khoa Hà Nội GV: TS. Trịnh Hoàng Minh Hà Nội, 08/2021

Trang 2

Nội dung • Bộ điều khiển PID • Cấu trúc bộ PID • Chọn tham số bộ PID theo phương pháp thực nghiệm: Ziegler – Nichols/Chien – Hrones – Reswick/Tổng T của Kuhn • Phương pháp tối ưu độ lớn • Phương pháp tối ưu đối xứng • Bộ điều khiển dự báo Smith 2

Trang 3

Bộ điều khiển PID • Cấu trúc: 3 thành phần u p • Khâu khuếch đại (P) e 1 u u • Khâu tích phân (I) k I p T s • Khâu vi phân (D) I u D T s D 𝑡 1 𝑑𝑒(𝑡) 𝑈(𝑠) 1 𝑢(𝑡) = 𝑘𝑝 𝑒(𝑡) + න𝑒(𝜏)𝑑𝜏 + 𝑇𝐷 𝑅(𝑠) = = 𝑘𝑝 1 + + 𝑇𝐷𝑠 𝑇𝐼 𝑑𝑡 𝐸(𝑠) 𝑇𝐼𝑠 0 3

Trang 4

Bộ điều khiển PID • Biến thể của bộ PID: e u u • Bộ điều khiển PD (𝑇𝐼 = ∞): đối k p p tượng đã có sẵn khâu tích phân 𝑑𝑒(𝑡) u D 𝑢 𝑡 = 𝑘𝑝 𝑒 𝑡 + 𝑇𝐷 𝑑𝑡 T s D ⇒ 𝑅(𝑠) = 𝑘𝑝 1 + 𝑇𝐷𝑠 • Bộ điều khiển PI (𝑇𝐷 = 0): tín hiệu trong hệ thống thay đổi tương đối u p chậm và bộ điều khiển không cần e 1 u u phản ứng nhanh với sai lệch 𝑒(𝑡) k I p T s I 𝑡 1 1 𝑢(𝑡) = 𝑘𝑝 𝑒(𝑡) + න𝑒(𝜏)𝑑𝜏 ⇒ 𝑅(𝑠) = 𝑘𝑝 1 + 𝑇𝐼 𝑇𝐼𝑠 0 4

Trang 5

Hiện thực hóa khâu vi phân • Khâu vi phân là không nhân quả • Giải pháp: • Xấp xỉ đạo hàm từ một phía: 𝑑𝑒 Δ𝑒 𝑒 𝑡 − 𝑒 𝑡 − Δ𝑡 = lim ≈ lim 𝑑𝑡 Δ𝑡→0 Δ𝑡 Δ𝑡→0+ Δ𝑡 • Ghép với bộ lọc thông thấp: 𝑠 𝑅𝐷 𝑠 = 𝑇𝐷 , 𝑐 đủ nhỏ 1 + 𝑐𝑠 thu được khâu PID thực: 1 𝑠 𝑅𝑝 𝑠 = 𝑘𝑝 1 + + 𝑇𝐷 𝑇𝐼𝑠 1 + 𝑐𝑠 5

Trang 6

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất (ZN1) : • Mục tiêu: thời gian xác lập nhỏ và độ quá điều chỉnh ∆ℎ ≤ 0.4 6

Trang 7

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất (ZN1) : • Bước 1: từ hàm quá độ ℎ(𝑡), xấp xỉ hệ theo mô hình quán tính bậc nhất có trễ 𝑘𝑒−𝐿𝑠 𝑆(𝑠) = 1 + 𝑇𝑠 TH1: 𝐿 khoảng thời gian đầu ra chưa phản ứng, 𝑘: giá trị giới hạn ℎ∞ = lim ℎ(𝑡), 𝑡→∞ 𝑇: khoảng thời gian cần thiết sau 𝐿 để tiếp tuyến ℎ(𝑡) tại (𝐿,0) đạt giá trị 𝑘. TH2: 𝑘 = lim ℎ(𝑡), kẻ tiếp tuyến với ℎ(𝑡) tại 𝑡→∞ điểm uốn và xác định được 𝐿,𝑇. 7

Trang 8

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất (ZN1) : • Từ hàm quá độ ℎ(𝑡), xấp xỉ hệ theo mô hình quán tính bậc nhất có trễ 𝑘𝑒−𝐿𝑠 𝑆(𝑠) = 1 + 𝑇𝑠 • Chọn tham số theo Z-N như sau: 𝑘𝑃 𝑘𝐼 𝑘𝐷 Bộ điều khiển P 𝑇 𝑘𝐿 Bộ điều khiển PI 0.9𝑇 10 𝐿 𝑘𝐿 3 Bộ điều khiển PID 1.2𝑇 𝐿 2𝐿 𝑘𝐿 2 8

Trang 9

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Ví dụ 1: Sử dụng SIMULINK nhận dạng đối tượng (không có nhiễu) và chọn tham số bộ PID 𝐾 = 10 10 ℎ 𝑡 𝑡 (giây) 𝐿 = 0.8 𝑇 = 1.7 9

Trang 10

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Ví dụ 1: Sử dụng SIMULINK nhận dạng đối tượng và chọn tham số bộ PID Kiểm tra lại ℎ 𝑡 𝑡 (giây) 10

Trang 11

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Ví dụ 1: Sử dụng SIMULINK nhận dạng đối tượng và chọn tham số bộ PID Sử dụng bộ điều khiển P: 𝑅 𝑠 = 𝑘 với 𝑘 = 𝑇 = 1.7 = 0.2125 𝑝 𝑝 𝑘𝐿 10×0.8 Tồn tại sai 𝑦 𝑡 lệch tĩnh 𝑡 (giây) 11

Trang 12

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Ví dụ 1: Sử dụng SIMULINK nhận dạng đối tượng và chọn tham số bộ PID Sử dụng bộ điều khiển PI: 𝑅 𝑠 = 𝑘 1 + 1 với 𝑘 = 0.9𝑇 = 0.9×1.7 = 0.1913, 𝑝 𝑇 𝑠 𝑝 𝑘𝐿 10×0.8 𝐼 𝑇 = 10 𝐿 = 0.2667 𝐼 3 Thời gian quá độ dài 𝑦 𝑡 𝑡 (giây) 12

Trang 13

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Ví dụ 1: Sử dụng SIMULINK nhận dạng đối tượng và chọn tham số bộ PID Sử dụng bộ điều khiển PID: 𝑅 𝑠 = 𝑘 1 + 1 + 𝑇 𝑠 với 𝑘 = 1.2𝑇 = 1.2×1.7 = 0.255, 𝑝 𝑇 𝑠 𝑑 𝑝 𝑘𝐿 10×0.8 𝐼 𝑇 = 2𝐿 = 2 × 0.8 = 1.6, 𝑇 = 𝐿 = 0.8 = 0.4 𝐼 𝐷 2 2 Chỉnh định theo Z-N Độ quá điều để khởi tạo tham số, chỉnh lớn 𝑦 𝑡 sau đó tinh chỉnh các tham số bộ PID. 𝑡 (giây) 13

Trang 14

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai (ZN2) : • Thay bộ PID bởi bộ khuếch đại. Sau đó tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn 𝑘𝑡ℎ để hệ kín ở biên giới ổn định (dao động điều hòa). Xác định chu kỳ 𝑇𝑡ℎ của dao động. 14

Trang 15

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai (ZN2) : • Thay bộ PID bởi bộ khuếch đại. Sau đó tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn 𝑘𝑡ℎ để hệ kín ở biên giới ổn định (dao động điều hòa). Xác định chu kỳ 𝑇𝑡ℎ của dao động. • Chọn tham số theo Z-N như sau: 1. Nếu 𝑅 𝑠 = 𝑘 thì chọn 𝑘 = 1 𝑘 𝑝 𝑝 2 𝑡ℎ 2. Sử dụng bộ PI với 𝑅 𝑠 = 𝑘 1 + 1 thì chọn 𝑘 = 0.45𝑘 và 𝑇 = 0.85𝑇 𝑝 𝑇 𝑠 𝑝 𝑡ℎ 𝐼 𝑡ℎ 𝐼 3. Sử dụng bộ PID với 𝑅 𝑠 = 𝑘 1 + 1 + 𝑇 𝑠 thì chọn 𝑘 = 0.65𝑘 𝑇 = 𝑝 𝑇 𝑠 𝐷 𝑝 𝑡ℎ 𝐼 𝐼 0.5𝑇𝑡ℎ, 𝑇𝐷 = 0.12𝑇𝑡ℎ. • Nhược điểm: đối tượng cần có được biên giới ổn định khi hiệu chỉnh hằng số khuếch đại trong hệ kín. 15

Trang 16

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Ví dụ 2: Sử dụng SIMULINK xác định tham số bộ điều khiển theo phương pháp ZN-2. 𝑇𝑡ℎ = 2.8 Đáp ứng bước nhảy khi 𝑘 = 17.6 Xác định 𝑇𝑡ℎ 16

Trang 17

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Ví dụ 2: Sử dụng SIMULINK xác định tham số bộ điều khiển theo phương pháp ZN-2. Đáp ứng với bộ điều khiển P Đáp ứng với bộ điều khiển PI Đáp ứng với bộ điều khiển PID Xác định 𝑇 17 𝑡ℎ

Trang 18

Phương pháp thực nghiệm xác định tham số bộ PID • Phương pháp Chien-Hrones-Reswick: • Gần giống ZN1, sử dụng hàm quá độ dạng PT1 có trễ (hình chữ S) • Thích hợp với đối tượng quán tính bậc 𝑛 𝑆 𝑠 = 𝑘 và thỏa mãn 𝑏 > 3. (1+𝑠𝑇)𝑛 𝑎 • Chọn tham số cụ thể: tham khảo [1] • Phương pháp tổng T của Kuhn: • Đối tượng: 1 + 𝑇𝑡𝑠)(1 + 𝑇𝑡𝑠)⋯(1 + 𝑇𝑡 𝑠 𝑆(𝑠) = 𝑘 1 2 𝑚 𝑒−𝑠𝑇, 𝑚 < 𝑛 1 + 𝑇𝑚𝑠)(1 + 𝑇𝑚𝑠)⋯(1 + 𝑇𝑚𝑠 1 2 𝑛 Có hàm quá độ dạng hình chữ 𝑆 𝑠 với các hằng số thời gian thỏa mãn 𝑇𝑡 ≥ 𝑇𝑡 ≥ ⋯ ≥ 𝑇𝑡 , 𝑇𝑚 ≥ 𝑇𝑚 ≥ ⋯ ≥ 𝑇𝑚 1 2 𝑚 1 2 𝑛 𝑇𝑡 < 𝑇𝑚, 𝑇𝑡 < 𝑇𝑚,…, 𝑇𝑡 < 𝑇𝑚 1 1 2 2 𝑚 𝑚 𝑘 = lim𝑡→∞ℎ(𝑡) 𝑛 𝑚 𝐴 𝐴 = 𝑘𝑇 = 𝑘 ෍𝑇𝑚 − ෍𝑇𝑡 + 𝑇 ⇒ 𝑇 = 𝛴 𝑗 𝑖 𝛴 𝑘 𝑗=1 𝑖=1 18

Trang 19

Phương pháp tối ưu độ lớn • Hệ kín trên hình có hàm truyền đạt: r e u y 𝑆𝑅 R(s) S(s) 𝐺(𝑠) = 1 + 𝑆𝑅 • Mục tiêu: hệ có đáp ứng 𝑦(𝑡) giống như tín hiệu lệnh được đưa vào 𝑟(𝑡) tại mọi điểm tần số hoặc thời gian quá độ để 𝑦(𝑡) bám được 𝑟(𝑡) càng ngắn càng tốt, tức là mong muốn 𝐺(𝑗𝜔) = 1 với mọi 𝜔. • Hê thực tế có tính quán tính ⇒ không thể có 𝐺(𝑗𝜔) = 1 với mọi 𝜔. Do đó, mục tiêu thiết kế trở thành 𝐺(𝑗𝜔) ≈ 1, với 𝜔 ∈ 0,𝜔max , 𝜔max càng lớn càng tốt ⟹ Bộ điều khiển cần được chọn sao cho 𝐿 𝜔 = 20lg 𝐺(𝑗𝜔) ≈ 0 trong dải tần số lớn nhất có thể 19

Trang 20

Phương pháp tối ưu độ lớn 1. Đối tượng quán tính bậc nhất PT1: r e u y R(s) S(s) 𝑘 𝑆(𝑠) = 1 + 𝑇𝑠 • Với bộ ĐK là khâu tích phân 𝑅 𝑠 = 𝑘𝑝 = 1 thì hàm truyền đạt của hệ: 𝑇𝐼𝑠 𝑇𝑅𝑠 𝑘 𝑘 𝑇𝐼 𝐺ℎ(𝑠) = , 𝐺(𝑠) = , 𝑇𝑅 = 𝑇𝑅𝑠(1 + 𝑇𝑠) 𝑇𝑅𝑠(1 + 𝑇𝑠) + 𝑘 𝑘𝑝 𝑘2 𝑇 |𝐺(𝑗𝜔)|2 = ⇒ 𝑇 = 𝐼 = 2𝑘𝑇 𝑘2 + (𝑇2 − 2𝑘𝑇 𝑇)𝜔2 + 𝑇2𝑇2𝜔4 𝑅 𝑘 𝑅 𝑅 𝑅 𝑝 • Khi đó ta có: 1 𝐺 𝑠 = , 𝑇′ = 𝑇 2,𝐷 = 1Τ 2 2𝑇2𝑠2 + 2𝑇𝑠 + 1 ⟹ Khâu dao động bậc hai 20

Hiển thị 20 trang đầu. Tải tài liệu để xem đầy đủ.

Bình luận (0)

Đăng nhập để tham gia bình luận

Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!