Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện
từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ. Khi đặt một dây dẫn vào trong từ trường
và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn
làm dây dẫn chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng.
Ưu điểm của động cơ một chiều:
- Động cơ điện một chiều có thể dùng làm động cơ hay máy phát trong các điều
kiện làm việc khác nhau.
- Động cơ điện một chiều có ưu điểm lớn nhất là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá
tải vì vậy được ứng dụng trong những nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều
chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…
- Động cơ điện một chiều có cấu tạo không quá phức tạp và khó khăn cho việc chế
tạo và sửa chữa.Động cơ điện một chiều có dải điều chỉnh rộng và cấu trúc mạch
lực, mạch điều khiển đơn giản.
- Hiệu suất làm việc của động cơ điện một chiều tương đối cao. Với động cơ công
suất nhỏ khoảng 75% -85%, động cơ công suất trung bình và lớn khoảng 85%-94%.
98 trang |
Chia sẻ: ttlbattu | Lượt xem: 1844 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Nghi ên cứu nâng cao chất lượng truyền động điện một chiều sử dụng trong hệ tuỳ động, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
***
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------o0o-----------
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:
NGHI ÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG TRONG HỆ TUỲ ĐỘNG
Học viên: Trần Thị Nam
Lớp: CHK9
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD khoa học: TS.Nguyễn Thanh Hà
Ngày giao đề tài: 01/05/2008
Ngày hoàn thành: 20/02/2009
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN
TS. Nguyễn Văn Hùng
TS.Nguyễn Thanh Hà
Trần Thị Nam
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 1 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU
I.1.Khái niệm
Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện
từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ. Khi đặt một dây dẫn vào trong từ trường
và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn
làm dây dẫn chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng.
Ưu điểm của động cơ một chiều:
- Động cơ điện một chiều có thể dùng làm động cơ hay máy phát trong các điều
kiện làm việc khác nhau.
- Động cơ điện một chiều có ưu điểm lớn nhất là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá
tải vì vậy được ứng dụng trong những nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều
chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…
- Động cơ điện một chiều có cấu tạo không quá phức tạp và khó khăn cho việc chế
tạo và sửa chữa.Động cơ điện một chiều có dải điều chỉnh rộng và cấu trúc mạch
lực, mạch điều khiển đơn giản.
- Hiệu suất làm việc của động cơ điện một chiều tương đối cao. Với động cơ công
suất nhỏ khoảng 75% -85%, động cơ công suất trung bình và lớn khoảng 85% -
94%.
I. 2.Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện
Năng lượng
Hình 1-1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện
sx R B§ M M
§ L
(-)
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 2 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trong đó:
Msx: máy sản xuất
M: động cơ truyền động
BĐ: bộ biến đổi
R: Các bộ điều chỉnh
ĐL: Thiết bị đo lường
Động cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng
bộ xoay chiều, động cơ bước. Các động cơ điện được cấp nguồn điện từ bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi thường được dùng là các bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor, các bộ
biến tần tranzitor….Các bộ điều khiển ở đây có hai chức năng:
Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông
tin để điều khiển các thông số đầu ra bộ biến đổi.
*Hệ truyền động điện một chiều thường được phân loại:
+ Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước
không đổi.Ví dụ: Duy trì tốc độ không đổi, duy trì mômen không đổi.
+ Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị
trí, trong đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng ta
thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt
kim loại…
+ Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điều
khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình định trước,
thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không
gian phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chương trình điều khiển
được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ… thường gặp các hệ điều khiển theo chương
trình trong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động của robot trong sản xuất.
I.3.Một số phương pháp đánh giá độ ổn định và chất lượng của hệ thống
I.3.1.Các thông số đánh giá độ ổn định
a.Tiêu chuẩn đại số
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 3 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Tiêu chuẩn Routh : Giả sử hệ thống có phương trình đặc tính hệ kín như
sau: ao.pn +a1.pn-1 +a2.pn-2 +…..+an-1.p +a = 0
Tiêu chuẩn Routh phát biểu: Điều kiện cần và đủ để hệ thống tự động điện
ổn định theo tiêu chuẩn Routh là:
- ∀ai phải dương
- Các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh cũng phải dương.
Tiêu chuẩn Huwithz: Cũng với giả thiết như trên hệ thống có phương trình
đặc tính kín như sau: a0pn + a1pn-1 + a2pn-2 + …+ an-1p + an = 0
Tiêu chuẩn Huwithz phát biểu như sau:
Điều kiện cần và đủ để hệ thống điều khiển tự động ổn định là:
- ∀ai phải dương
- Các định thức Huwithz phải dương
b.Tiêu chuẩn ổn định theo đặc tính tần số
Một trong các tiêu chuẩn thường dùng là tiêu chuẩn ổn định Nyquit đối với
đặc tính tần Logarit.
Tiêu chuẩn ổn định Nyquit đối với đặc tính tần Logarit được phát biểu như sau:
Điều kiện cần và đủ để hệ thống tự động điều khiển kín ổn định khi hệ hở ổn
định là số chuyển đổi dương bằng số chuyển đổi âm của đường đặc tính Ψ(ω) với
đường thẳng (-π) trong khoảng L(ω) dương. Theo hình vẽ (1-2) thì hệ thống đạt tiêu
chuẩn ổn định.
I.3.2 Các chỉ tiêu chất lượng
a. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng thông qua đặc tính quá độ
Áp dụng cho phương pháp tổng hợp theo modul tối ưu:
ct tqđ n ε%
yêu cầu < 8,4Tδ ≤ 3 ≤ 4,3
Áp dụng cho phương pháp tổng hợp theo modul đối xứng:
ct tqđ n ε%
yêu cầu < 16,5Tδ ≤ 3 ≤ 43,4
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
b. Các tiêu chuẩn tích phân
+ Tiêu chuẩn tích phân bình phương (ISE) theo tiêu chuẩn này đánh giá nặng
sai lệch lớn và đánh giá nhẹ sai lệch nhỏ và tiêu chuẩn đánh giá bởi tích phân sau:
( )∫
∞
0
2 dtte
+ Tiêu chuẩn ITAE: Theo tiêu chuẩn này đánh giá nhẹ sai lệch ban đầu,
nhưng đánh giá rất nặng sai lệch trong quá trình quá độ và được đánh giá theo tích
phân sau:
( )∫
∞
0
. dttet
+ Ngoài ra còn hay dùng tiêu chuẩn kết hợp ITSE như sau:
( )∫
∞
0
2. dttet
Trong đó: e(t) là hàm sai lệch
Các tiêu chuẩn ổn định đại số và các chỉ tiêu chất lượng được đánh giá qua
đặc tính quá độ hay dùng nhất vì nó dễ áp dụng và có tính tường minh, trực quan ,
thuyết phục.
I.4. Mô hình toán học của động cơ một chiều
Động cơ điện một chiều có nhiều loại, nhưng động cơ điện một chiều kích
từ độc lập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơ
một chiều kích từ độc lập như sau:
Hình 1-2. Hệ thống truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập
φ kt
I kt U
kt + -
-
+
U
I
§ C
C F
M ® t
M C
ω
U
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 5 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐC: Động cơ một chiều
Uư: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Iư: Dòng điện phần ứng
Ikt: Dòng điện kích từ
φkt: Từ thông kích từ
CF: Cuộn dây cực từ phụ
CB: Cuộn dây bù
MĐT: Mô men điện từ
MC : Mô men cản
ω : Tốc độ góc của động cơ
I.4.1 Mô hình toán học ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập
+ Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:
Uư = E + Iư.Rư
+ Phương trình sức điện động động cơ:
E = K.φ.ω
+ Phương trình mô men điện từ:
Mđt = K.φ.ω.Iư
+ Phương trình đặc tính cơ:
φ
ω
.
.
K
RIU uuu −=
I.4.2 Mô hình toán học ở chế độ quá độ động cơ một chiều kích từ độc lập
Hệ phương trình được viết cho động cơ như sau:
+ Với mạch kích từ:
UKT(p) = RKT.IKT (p) + NKT.p. φKT (p) + p.LKT.IKT (p)
+ Đối với mạch phần ứng:
Uư(p) = Rư.Iư (p) + p.Lư.Iư (p)+ p.NKT.φKT (p) + E(p)
Trong biểu thức trên dấu (-) khi khử từ, dấu (+) khi tham gia từ hóa.
+ Phương trình cân bằng mô men:
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 6 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MĐT = NC +J.
dt
dω
MĐT : Mô men điện từ của động cơ
MC : Mô men cản của phụ tải
J: Mô men quán tính của hệ đã quy đổi về trục động cơ
+ Phương trình sức từ động tổng:
F = IKT.NKT + Fư(Iư)
Fư(Iư) : Sức từ động phản ứng phần ứng
+ Sức điện động cơ được tính như sau:
E = Cφω
Mô men điện từ được tính như sau:
MĐT = CφI
C: Hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của động cơ
φ: Từ thông máy điện một chiều
ω: Vận tốc góc(rad/s)
Từ các phương trình trên có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc tổng quát của động cơ một
chiều kích từ độc lập:
Hình 1-3. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều kích từ độc lập
1/R u
1 + T u p
P.N KT
1
N M
N K
N KT
P KT
(1)
M Đ T
K
1
Jp
U KT
N KT φ φ
U u (p) (-) I u - M
C
n (p)
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ
đồ là rất cao. Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương
trình tuyến tính hóa được viết như sau:
+ Mạch phần ứng:
U0 + ∆U(p) = Rư [.I0+∆I(p) ] +pL[I0 + ∆I(p)] + K[φ0 + ∆φ(p)][ωB +∆ω(p)]
+ Mạch kích từ:
Uk0 + ∆Uk(p) = Rk.[Ik0+∆Ik(p)] +pLk[Ik0 + ∆Ik(p)]
Một cách gần đúng ta có phương trình gia số:
∆U(p)- [k. ωB . ∆φ(p) +k.φ0. ∆ω(p)] = Rư. ∆I(p)(1+ Tư .p)
∆U(k) = Rk. ∆Ik(p)(1+ Tkp)
k.I. ∆φ(p) + k.φ0. ∆ω(p) - ∆MC = Jp.∆ω(p)
Từ hệ phương trình trên ta xác định được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa như sau:
Hình 1-4 Sơ đồ cấu trúc khi tuyến tính hóa
Khi động cơ có từ thông không đổi, các phương trình được viết như sau:
kφ = const = Cu
1 + T ư p
1/R ư U
U K -
K φ o
π
1
K
K φ o
1 + T
K ω o K Ι o
K T
1/R kT
k p
M
M C
(-)
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 8 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
U(p) = Rư.I(p)(1+ Tư p) + Cu.ω(p)
Cu.I(p) – MC(p) = J.p.ω(p)
Từ hệ phương trình trên có thể xây dựng được sơ đồ cấu trúc của hệ thống trong
trường hợp từ thông không đổi như sau:
Hình 1-5 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
Khi động cơ có điện áp không đổi, từ các hệ phương trình tổng quát được
thành lập ở trên và khi sử dụng sơ đồ tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc, thay
∆U(p) vào, tính toán tương tự ta có hàm truyền của động cơ như sau:
W(p) =
( )
( )( )1.1
1.
3
2
21
21
+++
−+
pTpTTpT
kpTk
k
k1, k2 là các hệ số, T1, T2, T3 là các hằng số thời gian.
I.5.Mô hình toán học của bộ biến đổi
Mô hình tổng quát của bộ biến đổi ba pha mắc theo sơ đồ cầu:
Mạch chỉnh lưu cầu ba pha gồm các thành phần chủ yếu:
Hình 1-6 Mạch động lực bộ biến đổi
- U C
ω (p)
U(p) 1/R ư
1 + T ư p
C o
Tp
1
C o
a b c
L C
§ C
T 1,3,5 T 2,4,6
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 9 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Sơ đồ mạch điện gồm 6 tiristor công suất. Các điện áp U2 xoay chiều cung cấp cho
bộ chỉnh lưu.Các tiristor T1,2,3 và T2,4,6 có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện để cung
cấp nguồn điện một chiều cho tải.Chiều điện áp như hình vẽ. Các tiristor thay nhau
dẫn dòng nhưng lệch pha nhau một góc =120 0 .
Các biểu thức tính toán được viết như sau:
Với id(t ) là liên tục:
id(t ) =
( )
R
EtU −2
Điện áp trung bình chỉnh lưu:
Ud0 = { π2
6 }. ttdU ωω
π
π
cos.6
6
6
2∫
−
Ud0 = { 2
63 U
π
} = 2,34 U2 cosα với tải thuần trở
Ungmax = 2.6U = 2,45U2
Phương trình cân bằng điện áp của bộ biến đổi:
γ1.Ud0cosαmin = γ2.Eưdm+ Σ (∆Uv) + Iưmax.Rư Σ + ∆U µ max
Với :
Ud0 : Điện áp không tải của chỉnh lưu
γ1 : hệ số tính đến sự giảm của điện áp lưới
γ2 : hệ số tính đến dự trữ của máy biến áp
αmin: góc điều khiển cực tiểu
Σ (∆Uv): Tổng sụt áp trên các van
Rư Σ : Điện trở tổng cộng của phần ứng
Rư Σ = Rư + Rba ≈ 2 Rư
Iưmax : Dòng điện phần ứng cực đại
∆U µ max: Sụt áp cực đại do hiện tượng trùng dẫn
Eưdm: Sức điện động định mức của động cơ
Eưdm = Uđm - Iưdm,Rư
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 10 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
U2 = 34,2
0Ud
Tỷ số máy biến áp: kba =
2
1
U
U
Tính chọn tiristor theo điều kiện phát nóng:
Ungmax = 2.6U
Itb = 3
dI với hệ số dự trữ chọn là 1,5
I.6.Hàm truyền của bộ biến đổi:
Hình 1-7 Sơ đồ tổng quát của bộ biến đổi
Tv0: kể tới sự không đồng thời của tín hiệu điều khiển với góc mở của tiristor
Tđk: Hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu.
kcl :hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu
*) Kết luận: Động cơ một chiều với những ưu điểm như điều chỉnh tốc độ dễ
dàng và khả năng quá tải lớn nên được ứng dụng nhiều trong những ngành công
nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Cùng với những ưu điểm khác về cấu
tạo, dải điều chỉnh, cấu trúc mạch lực và ứng dụng của các phương pháp điều khiển
thông minh, hệ truyền động điện một chiều ngày càng được ứng dụng nhiều trong
thực tế đem lại những hiệu quả cao trong sản xuất và góp phần giảm nhẹ sức lao
động.
U(p) K cl
(T đ k p + 1)(T V o + 1 )
1 U dk (p)
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 11 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
CHƯƠNG 2
GiíI THIÖU C¸C Bé §IÒU KHIÓN
II.1.Giới thiệu bộ điều khiển kinh điển PID
II.1.1.Các luật điều khiển
a.Luật điều khiển tỷ lệ (P)
Tín hiệu điều khiển trong luật tỉ lệ xác định theo biểu thức:
U(t) = kp.e(t)
kp : Hệ số tỉ lệ, hay còn gọi là hệ số khuếch đại
Luật điều khiển tỉ lệ theo tiêu chuẩn của khâu khuếch đại: Tín hiệu ra luôn trùng
pha và tỉ lệ với tín hiệu vào. Điều khiển tỉ lệ có ưu điểm là tác động nhanh và làm
việc tốt với một số đối tượng công nghiệp. Quy luật này khi làm việc với các đối
tượng tĩnh thì hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh
phải tăng kp , nhưng khi đó dẫn tới hệ thốn g sẽ mất ổn định do dao động của hệ
thống tăng và độ quá điều chỉnh lớn.
b.Luật điều khiển tích phân(I)
Tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức:
U(t) = ( ) 0
1 Udtte
Ti
+∫
Ti : Hằng số thời gian tích phân
U0 : Giá trị đầu ra của bộ biến đổi tại đầu thời điểm làm việc
Trong quy luật tích phân giá trị điều khiển U(t) chỉ đạt giá trị xác lập(quá
trình điều khiển đã kết thúc)khi e(t) = 0, hay cũng có thể nói tín hiệu ra được xác
định bằng tích phân tín hiệu vào. Quy luật này có ưu điểm triệt tiêu được sai lệch
tĩnh, nhưng tín hiệu ra luôn chậm pha so với tín hiệu vào do đó hệ thống luôn tác
động chậm. Đây là nhược điểm của quy luật này, vì vậy không sử dụng quy luật này
một mình mà phải phối hợp với các quy luật khác để việc điều khiển đối tượng đạt
kết quả .
c.Luật điều khiển vi phân(D)
Tín hiệu điều khiển được xác định:
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 12 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
U(t) = Td.
( )
dt
tde
Td : Hằng số thời gian vi phân
Tín hiệu ra được xác định bằng vi phân của tín hiệu ra. Ưu điểm của quy luật
là độ tác động nhanh, rút ngắn thời gian quá độ nhưng có nhược điểm là: lượng quá
điều chỉnh thường vượt quá trị số cho phép và phản ứng với các nhiễu cao tần. Luật
điều khiển vi phân cũng không được sử dụng một mình và phải phối hợp với các
quy luật điều khiển khác.
e.Luật điều khiển tỉ lệ- tích phân (PI)
Kết hợp luật điều khiển tỉ lệ (P) với luật điều khiển tích phân (I) để hình
thành luật điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI).
Tín hiệu điều khiển được xác định:
U(t) = kp[ e(t) + ∫ + 0)(
1 Udtte
Ti
Luật này vừa tác động nhanh(nhanh hơn quy luật tích phân nhưng chậm hơn
quy luật tỉ lệ)vừa triệt tiêu sai lệch tĩnh. Do có những ưu điểm trên nên luật điều
khiển PI được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đáp ứng được yêu cầu chất lượng
của hầu hết quá trình công nghệ. Tuy nhiên do ảnh hưởng củ a thành phần tích phân
nên tốc độ tác động của quy luật PI bị chậm, do đó nếu đối tượng có nhiễu liên tục
mà đòi hỏi độ chính xác điều chỉnh cao thì quy luật PI không đáp ứng được.
f.Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD)
Kết hợp luật điều khiển tỉ lệ với luật điều khiển vi phân để hình thành luật
điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD):
Tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức:
U(t)= kp [e(t) + Td. dt
tde )( ]
Nhờ có thêm thành phần vi phân làm cho tốc độ tăng nhanh(nhanh hơn quy
luật tỉ lệ). Tuy nhiên chính thành phần vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu cao tần
bậc nhỏ do vậy mà quy luật PD không làm giảm được sai lệch tĩnh. Vì vậy trong
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 13 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
công nghiệp quy luật này chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi độ tác động nhanh như
điều khiển tay máy.
g.Luật điều khiển tỉ lệ- tích phân – vi phân (PID)
Tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức:
U(t) = kp[e(t)+ ( )
( )
dt
tdeTdtte
T d
t
i
.1
0
+∫ ]+ U0
Đây là luật điều khiển đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các
quá trình công nghệ. Có thể nói quy luật PID tương đối hoàn hảo, tuy nhiên việc
hiệu chỉnh tham số của nó khá phức tạp đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ nhất
định.
Với bộ điều khiển PID số, tín hiệu điều khiển cũng được xác định theo biểu thức:
U(k) = kp{e(k) + ( ) [ ])1(
1
−+∑
=
ke
T
Tke
T
T dn
ki
}
e(k), u(k) là những đại lượng rời rạc hoặc số
T: Thời gian lấy mẫu
II.1.2.Các bộ điều khiển
a. Bộ điều khiển P (Bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ)
Là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID. Thuật toán khuếch đại tỉ lệ đưa ra tín
hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch điều khiển e(t): u(t)
= kp.e(t).
Khi xuất hiện tín hiệu sai lệch e(t), thông qua bộ điều khiển tín hiệu này
được khuếch đại lên kp lần. Mục đích của việc khuếch đại tín hiệu đầu vào của bộ
điều khiển chính là tạo khả năng bù trừ sai lệch cho tín hiệu ra
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Bộ điều
khiển p
Đối tượng
điều khiển
Thiết bị
đo lường
Hình 2-1.Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P
Nguyên tắc làm việc: Khi tín hiệu sai lệch e(t) lớn, đáp ứng đầu ra y(t) sẽ rất
nhỏ so với tín hiệu đặt x(t). Để cho giá trị y(t) tiến gần giá trị xác lập x(t) bộ điều
khiển phải tạo ra khả năng bù trừ sai lệch bằng cách khuếch đại tín hiệu điều khiển
có giá trị lớn để duy trì sự ổn định của hệ thống hoặc ngược lại khi tín hiệu sai lệch
e(t) nhỏ, đại lượng đầu ra y(t) tiến gần giá trị xác lập thì sự tác động của điều khiển
lên đối tượng u(t) sẽ nhỏ bớt đi để đảm bảo sự ổn định của hệ thống.
Bộ điều khiển (P) có cấu trúc đơn giản song nó luôn tồn tại sai số ở chế độ
xác lập. Nếu cấu trúc hàm truyền hệ hở của hệ thống không chứa khâu tích phân thì
sai số xác lập sẽ làm 1 hằng số.
e =
k
Xte
t
0)(lim =
∞→
X0: Biên độ tín hiệu đầu vào
k: Hệ số khuếch đại của hàm truyền hệ hở khâu tích phân có mặt trong hệ
thống sẽ dẫn đến triệt tiêu sai lệch tĩnh
Từ công thức rút ra kết luận:
Khi hệ điều khiển có hệ số khuếch đại kp nhỏ dẫn tới k nhỏ lúc này sai lệch
tĩnh e(t) sẽ giảm, kích thích của hệ thống vẫn không dao động nhưng để đảm bảo sai
số nhỏ thì kp phải có giá trị lớn. Yêu cầu này mâu thuẫn với điều khiển để đạt được
chất lượng như mong muốn trong chế độ quá độ. Vì khi tăng hệ số khuếch đại k p
fu(t)
y(t)
G(s)
u(c)
R(s)=kp
z(t)
e(t)
(-)
(+)
x(t)
- U C
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 15 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Bộ điều
khiển I
Đối tượng
điều khiển
Thiết bị
đo lường
đến một giá trị xác định nào đó thì hệ thống bắt đầu dao động và làm cho nó mất ổn
định trước khi đạt được giá trị khuếch đại mong muốn.
b.Bộ điều khiển tích phân – tỉ lệ (PI)
Là dạng điều khiển sử dụng phổ biến trong họ PID. So với bộ điều khiển p,
bộ điều khiển PI mở rộng thêm thành phần tích phân (còn gọi là tác động tích phân)
với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh, tác động tích phân đưa ra tín hiệu điều khiển tỉ
lệ với tích lũy của sai lệch điều khiển quan sát được e(t).
Hình 2-2.Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PI
Hàm truyền của bộ điều khiển PI là:
R(s) =
( )
( )sE
sU
= kp + sT
k
i
p
.
= kp + s
ki
U(s) = kp.E(s) + ki.
( )
s
sE
Trong thực tế việc chọn thông số điều chỉnh kp, Ti để phù hợp với đối tượng,
đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là vấn đề hết sức quan
trọng vì tín hiệu ra của bộ biến đổi chậm pha so với tín hiệu vào một góc( -
2
π ÷0)
chính là phụ thuộc vào tham số này. Về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn so
với qui luật tỉ lệ và nhanh hơn quy luật tích phân.
G(s)
u(t)
R(s)=kp(1 + )
z(t)
fu(t)
y(t) e(t)
(-)
(+)
x(t)
- U C