Luận văn Thiết kế hệ tự chỉnh trong hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

ới bộ điều khiển PID kinh điển Trên quan điểm về điều khiển thì ta mong có T càng lớn càng tốt để S nhỏ (vì S+T = 1) do S thì biểu thị độ nhạy của đầu vào r đối với sai lệch điều chỉnh e. Khi S nhỏ thì cũng đồng nghĩa với sai lệch nhỏ. Mà muốn S nhỏ thì L = GpKc phải lớn, hay nói cách khác bộ điều khiển Kc phải có độ lợi lớn. 1.4.1. Quy luật điều chỉnh P Tín hiệu ra của bộ điều khiển có dạng 𝑢𝑐(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) (1.25) Nghĩa là tín hiệu ra của bộ điều khiển luôn trùng pha với tín hiệu vào. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Muốn có sai lệch nhỏ thì bộ điều khiển phải có độ lợi lớn, nhưng nếu độ lợi lớn quá thì tính dao động của hệ thống tăng lên và có thể dẫn tới mất ổn định. Để khảo sát đáp ứng của hệ thống với quy luật điều chỉnh kiểu P ta sử dụng một bộ điều khiển 𝐾𝑐 với các tham số như sau: Kp = 12.14 Ki = 0 Kd = 0 Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.4. Rõ ràng trong trường hợp này đáp ứng của hệ thống khá nhanh, nhưng có dao động và sai lệch tĩnh khá lớn. Hình 1.4: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P Khi tăng Kp lên 52.14 thì sai lệch tĩnh giảm, nhưng dao động của hệ thống tăng lên như hình 1.5. 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Hình 1.5: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn 1.4.2. Quy luật điều chỉnh PI Để triệt tiêu sai lệch tĩnh ta có thể sử dụng thêm một khâu tích phân để có được một bộ điều khiển Kc với các tham số như sau: Kp = 12.14 Ki = 100 Kd = 0 Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.6. Có thể thấy rõ trong trường hợp này mặc dù thành phần tỷ lệ có giá trị nhỏ (12.14) nhưng sai lệch tĩnh đã tiến về không. Tuy nhiên, do tác động chậm của khâu tích phân nên hệ thống có dao động nhiều hơn. 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Hình 1.6: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI 1.4.3. Quy luật điều chỉnh PD Để khảo sát đặc tính của hệ thống với bộ điều khiển kiểu PD ta thêm một khâu đạo hàm trong thành phần của bộ điều khiển Kc. Kp = 12.14 Ki = 0 Kd = 1.54 Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.7. Trong trường hợp này có thể thấy hệ thống có đáp ứng khá nhanh và không có dao động. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn sai lệch tĩnh khá lớn. 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Hình 1.7: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 1.4.4. Quy luật điều chỉnh PID Cuối cùng ta khảo sát đặc tính của hệ thống kín với bộ điều khiển kiểu PID với các thành phần như sau: Kp = 12.14 Ki = 100 Kd = 1.54 Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.8. Hệ thống có đáp ứng khá nhanh, thời gian xác lập ngắn và không có sai lệch tĩnh. 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Hình 1.8: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 1.5. Quy trình chỉnh định tham số PID 1.5.1. Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm Việc chỉnh định các tham số PID theo kinh nghiệm không dựa trên các số liệu đo đạc vật lý, vì vậy khó có thể đạt được chất lượng mong muốn và tùy thuộc vào kinh nghiệm của người chỉnh. Với các phân tích trên đây ta có thể đưa ra quy trình chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID theo kinh nghiệm như sau: • Chỉ cho thành phần P tác động. • Chỉnh độ lợi của thành phần P sao cho hệ thống có đáp ứng nhanh và ở gần biên giới dao động với tín hiệu vào là một hàm 1(t). • Chỉnh lại độ lợi của thành phần P bằng khoảng 1/2 so với giá trị ở gần biên giới ổn định. • Cho thành phần I tác động và điều chỉnh độ lợi của thành phần này sao cho hệ thống kín có độ quá điều chỉnh và thời gian xác lập chấp nhận được. 1.5.2. Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm Phương pháp này còn được gọi là phương pháp Ziegler-Nichole thứ hai. 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN • Chỉ cho thành phần P tác động. • Chỉnh độ lợi của thành phần P tới giá trị Kpmax sao cho hệ kín có đáp ứng với tín hiệu đặt 1(t) dưới dạng dao động điều hòa với chu kỳ Th (hệ ở trạng thái biên giới ổn định). • Nếu chỉ dùng bộ điều khiển kiểu P thì chọn Kp = 1/2Kpmax. • Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PI thì chọn Kp = 0.45Kpmax và Ki = 0.53Kpmax. • Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PID thì chọn Kp = 0.6Kpmax, Ki = 0.9Kpmax và Kd = 0.054Kpmax. Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols Việc chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols còn được gọi là phương pháp tương tác quá trình là phương pháp chỉnh định vòng hở thực nghiệm. Phương pháp này được phát triển với mục tiêu sao cho hệ kín có khả năng kháng nhiễu tốt. Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng có hàm truyền ổn định và được xấp xỉ bởi một mô hình bậc nhất có trễ: 𝐺𝑝 = 𝑘𝑒−𝜏𝑠 1 + 𝑇𝑠 (1.26) Nếu đối tượng có đáp ứng quá độ như hình 1.9 thì việc xác định các tham số của bộ điều khiển PID được thực hiện như sau: • Xác định giá trị giới hạn: 𝑘 = lim 𝑡→∞ ℎ(𝑡) • Xác định hoành độ 𝜏 của giao điểm giữa h(t) và tiếp tuyến của nó tại điểm uốn. • T là hoành độ giao điểm của tiếp tuyến với đường thẳng h(t) = k. • Nếu chỉ dùng bộ điều khiển kiểu P thì chọn: 𝐾𝑝 = 𝑇 𝑘𝜏 • Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PI thì chọn: 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 𝐾𝑝 = 𝑇 𝑘𝜏 và 𝐾𝑖 = 0.09𝑇 𝑘𝜏2 • Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PID thì chọn: 𝐾𝑝 = 1.2𝑇 𝑘𝜏 , 𝐾𝑖 = 0.6𝑇 𝑘𝜏2 và 𝐾𝑑 = 0.6𝑇 𝑘 Hình 1.9: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Kết luận Chương 1 Như vậy trong chương 1 tác giả đã nghiên cứu về động cơ một chiều và hệ thống điều khiển số động cơ một chiều.Trong Chương 2, tác giả sẽ nghiên cứu các phương pháp tư ̣chỉnh tham số trong hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều. 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ CHỈNH THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.1. Tổng quan về hệ điều chỉnh tự động 2.1.1. Tiềm năng, ý nghĩa khoa học của hệ điều chỉnh tự động Trong những năm trở lại đây, nền công nghiệp sản xuất phát triển vô cùng mạnh mẽ, các hệ thống bằng tay thông thường dần dần được thay thế hết bằng các hệ thống tự động tiên tiến. Điều này thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển tự động phát triển mạnh một cách vượt bậc cả về lý thuyết lẫn ứng dụng. Điển hình là các loại robot tự động. Nói đến robot, ta có thể thấy trên thế giới đã xuất hiện các loại robot đạt được tốc độ cực kỳ cao và vô cùng chính xác như các máy DEK gắn các linh kiện điện tử lên PCB, máy CNC dùng để đục khắc , tạo hình với quy mô lớn Còn trong quân sự, các loại robot di dộng giám sát, rà phá bom mìn được sử dụng để tránh các tổn thất về con người được sử dụng. Robot hầu hết được sử dụng thay thế con người trong các môi trường có rủi ro cao, mang tính nguy hiểm như môi trường lòng đất, lò phản ứng hạt nhân, thao tác ngoài không gian hoặc dưới đáy biển. Lĩnh vực nghiên cứu robot là một lĩnh vực rộng lớn bao gồm nhiều phạm vi như vật lý học, điều khiển học, xử lý hình ảnh, cơ khí chính xác, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật máy tính. Nhắc đến robot, chúng ta không thể không nhắc đến những giải thuật điều khiển động cơ DC, điển hình là bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID trong các thiết kế bộ điều tốc xuất hiện từ những năm 1890. Các bộ điều khiển PID sau đó được phát triển trong hệ thống lái tàu thủy tự động. Muc̣ tiêu của điều khiển là nâng cao chất lươṇg các hê ̣thống điều khiển tư ̣đôṇg. Tuy nhiên, trên thưc̣ tế có rất nhiều đối tươṇg điều 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN khiển khác nhau, với các yêu cầu, đăc̣ tính phức tap̣ khác nhau. Giải thuật điều khiển PID được sử dụng để điều khiển động cơ vì tính đơn giản nhưng vẫn đạt được hiệu quả tương đối trong những trường hợp cố định. Tuy nhiên, để điều khiển hiệu quả bộ điều khiển PID, chúng ta cần xác định đúng hệ số Kp, Ki, Kd, vì thế trong những hệ thống thay đổi liên tục, việc sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống thể hiện nhiều nhược điểm. Một trong những đề tài hấp dẫn của lý thuyết điều khiển học hiện đại là nghiên cứu và tối ưu giải thuật thích nghi, xây dựng một hệ thống điều chỉnh tự động với bộ điều khiển tự chỉnh. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển tự chỉnh tỏ ra rất hứa hẹn trong những hệ thống mà thông số chưa biết hoặc luôn thay đổi bởi khả năng tự thích nghi, cho đáp ứng nhanh và chính xác song song với sự phát triển của những bộ vi điều khiển hiệu năng cao. Ví dụ như các robot, hệ thống công nghiệp có thể thay thế những bộ phận hỏng hóc bằng những loại động cơ khác nhau mà vẫn đảm bảo độ ổn định của sản phầm; các thang máy và robot chuyên chở có thể hoạt động mượt và trơn tru hơn bất chấp lĩnh vực điều khiển chính xác áp dụng giải thuật thích nghi sẽ mang lại lợi ích lớn cho phát triển công nghiệp tại Việt Nam, ứng dụng trong điều khiển chính xác nhiệt độ lò nhiệt y tế sự thay đổi của tải. Với bộ điều khiển tự chỉnh, bất kì động cơ DC nào cũng được điều khiển chính xác và hiệu quả hơn so với những bộ điều khiển khác, điển hình là bộ điều khiển PID truyền thống. 2.1.2. Khái niệm về hệ điều chỉnh tự động Hệ thống điều chỉnh tự động là hệ thống không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển. Việc điều chỉnh tự động được thực hiện nhờ sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó. Như vậy khi có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thống số đầu ra, thì thông số đầu vào sẽ thay đổi và động cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đặc tính nhân đạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động. Vì vậy có thể định nghĩa: “đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động là quỹ tích của các điểm làm việc của động cơ trên vô số các đặc tính cơ của hệ điều chỉnh vòng hở”. Hay còn gọi là “quỹ đạo pha trên tọa độ đặc tính cơ”. Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi, mạch này lấy tín hiệu từ thông số đầu ra hoặc một thông số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào. Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vòng kín”. Hệ điều chỉnh tự động tuy phức tạp nhưng đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao. Các thành phần chính của một hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm:  Cảm biến, dùng để đo lường các đại lượng cần điều khiển như nhiệt độ, độ ẩm, dòng điện...  Bộ điều khiển, có thể là các cơ cấu vật lý đơn giản cho đến các bộ điều khiển kỹ thuật số chuyên dụng phức tạp hoặc là các máy tính nhúng.  Thiết bị chấp hành, dùng để tác động theo đáp ứng của cảm biến theo lệnh của bộ điều khiển. 2.1.3. Nhiệm vụ của lý thuyết điều chỉnh tự động Lý thuyết điều chỉnh tự động nhằm giải quyết 2 nhiệm vụ chính: a. Phân tích hệ thống Nhiệm vụ này nhằm xác định đặc tính của tín hiệu ra của hệ thống, sau đó đem so sánh với những chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng, điều khiển của hệ thống đó. Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết 2 vấn đề cơ bản: vấn đề về tính ổn định của hệ thống và vấn đề chất lượng của quá trình điều khiển: quá trình xác lập trạng thái tĩnh và trạng thái động (quá trình quá độ). 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Để giải quyết những vấn đề trên người ta thường dùng phương pháp mô hình toán học, tức là các phần tử của hệ thống điều khiển đều được đặc trưng bằng một mô hình toán và tổng hợp mô hình toán của các phần tử sẽ cho mô hình toán của toàn bộ hệ thống. Xác định đặc tính ổn định của hệ thống thông qua mô hình toán của hệ thống với việc sử dụng lý thuyết ổn định trong toán học. Các bước để giải quyết bài toán ổn định là:  Lập mô hình toán của từng phần tử trong hệ thống (phương trình vi phân hoặc hàm truyền đạt).  Tìm phương pháp liên kết các mô hình toán lại với nhau thành mô hình toán của cả hệ thống.  Xét ổn định của hệ thống dựa vào lý thuyết ổn định. Tuy nhiên việc lập mô hình toán của các phần và của hệ thống trong thực tế rất khó khăn, nên ta dùng phương pháp xét ổn định theo đặc tính thực nghiệm (đặc tính tần số hoặc đặc tính thời gian). Giải quyết nhiệm vụ phân tích chất lượng quá trình điều khiển cũng có 2 phương pháp: trực tiếp hoặc gián tiếp, thông qua mô hình toán hoặc đặc tính động học thực nghiệm. Giải quyết vấn đề này thường là giải hệ phương trình vi phân, vi tích phân v.v... Ngoài ra trong lý thuyết điều khiển tự động, khi phân tích quá trình quá độ người ta còn dùng máy tính tương tự và máy tính số. b. Tổng hợp hệ thống Tổng hợp hệ thống là vấn đề xác định thông số và cấu trúc của thiết bị điều khiển. Giải bài toán này thực tế là thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động. Trong quá trình tổng hợp thường kèm theo bài toán phân tích. Đối với các hệ thống điều khiển tối ưu và tự thích nghi, nhiệm vụ tổng hợp thiết bị điều khiển giữ vai trò rất quan trọng. Trong các hệ thống đó, muốn tổng hợp được hệ thống, ta phải xác định algorit điều khiển, tức là phải xác định luật điều khiển U(t). Hệ thống điều khiển có yêu cầu 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN chất lượng cao thì việc tổng hợp càng trở nên phức tạp. Trong nhiều trường hợp ta cần đơn giản hóa một số yêu cầu và tìm phương pháp tổng hợp thích hợp để thực hiện. Để thiết kế một hệ thống điều chỉnh tự động, ta cần tiến hành các bước sau đây:  Xuất phát từ mục tiêu điều khiển, yêu cầu về chất lượng điều khiển và đặc điểm đối tượng được điều khiển ta xác định mô hình đối tượng điều khiển.  Từ mô hình, mục tiêu điều khiển, yêu cầu về chất lượng điều khiển, các nguyên lý điều khiển chung đã biết, khả năng các thiết bị điều khiển có thể sử dụng được hoặc chế tạo được, ta chọn một nguyên tắc điều khiển cụ thể. Từ đó lựa chọn các thiết bị cụ thể để thực hiện nguyên tắc điều khiển đã đề ra.  Trên cơ sở nguyên lý điều khiển và thiết bị được chọn, kiểm tra về lý thuyết hiệu quả điều khiển trên các mặt: khả năng đáp ứng mục tiêu, chất lượng, giá thành, điều kiện sử dụng, hậu quả v.v .. Từ đó hiệu chỉnh phương án chọn thiết bị, chọn nguyên tắc điều khiển hoặc hoàn thiện lại mô hình.  Nếu phương án đã chọn đạt yêu cầu, ta chuyển sang bước chế tạo, lắp ráp thiết bị từng phần. Sau đó tiến hành kiểm tra, thí nghiệm thiết bị từng phần và hiệu chỉnh các sai sót.  Chế tạo, lắp ráp thiết bị toàn bộ. Sau đó kiểm tra, thí nghiệm thiết bị toàn bộ. Hiệu chỉnh và nghiệm thu toàn bộ hệ thống điều khiển. 2.1.4. Các nguyên tắc ðiều chỉnh tự ðộng a. Nguyên tắc giữ ổn định Nguyên tắc giữ ổn ðịnh ðýợc thực hiện theo 3 nguyên tắc cõ bản sau:  Nguyên tắc bù tác ðộng bên ngoài (nguyên tắc ðiều chỉnh theo nhiễu ðộng) Sõ ðồ cấu trúc: 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Ðối với hệ thống ta cần tìm quan hệ xác ðịnh sao cho Y = Yo = const Ðây là hệ thống hở nên có các nhýợc ðiểm nhý không có liên hệ nghịch nên có khi làm hệ thống mất khả nãng làm việc, và các nhiễu khó ðo ðýợc chính xác. Do ðó hệ thống này ít ðýợc sử dụng.  Nguyên tắc ðiều chỉnh theo ðộ lệch Sõ ðồ cấu trúc: Ở hệ thống này tính hiệu ra Y (lýợng ðýợc ðiều chỉnh) ðýợc phản hồi lại ðầu vào và so sánh với tính hiệu vào tạo nên ðộ sai lệch. Äy = Y - Yo Sai lệch sẽ tác ðộng vào thiết bị ðiều chỉnh. Quá trình ðiều chỉnh sẽ kết thúc khi sai lệch bị triệt tiêu, lúc ðó ta có tín hiệu ra Y - Yo.  Nguyên tắc ðiều chỉnh hỗn hợp Loại này tác ðộng của hệ thống nhanh, ðộ tin cậy cao, nhýng giá thành lại cao. b. Nguyên tắc điều chỉnh theo chương trình Nguyên tắc ðiều chỉnh theo chýõng trình thýờng áp dụng do hệ thống hở và hệ thống kín. Nguyên tắc này dựa vào yêu cầu của tín hiệu ra y biến ðổi theo thời gian với một chýõng trình nào ðó, chẳng hạn nhý y = y(t). Dựa vào mô tả toán học của ðối týợng ðiều khiển ta có thể xác ðịnh tín hiệu ðiều khiển. 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Ðể ðảm bảo bảo ðộ chính xác cao trong quá trình ðiều chỉnh theo chýõng trình ngýời ta dùng hệ thống kín thực hiện theo 3 nguyên tắc:  Điều chỉnh theo sai lệch  Điều chỉnh theo nhiễu động  Điều chỉnh theo phương pháp hỗn hợp c. Nguyên tắc điều chỉnh tự thích nghi (tự chỉnh định) Khi cần ðiều chỉnh những ðối týợng phức tạp hoặc nhiều ðối týợng ðồng thời mà phải ðảm bảo cho một tín hiệu có giá trị cực trị hoặc một chỉ tiêu tối ýu nào ðó, thì ta phải dùng nguyên tắc thích nghi. Sõ ðồ cấu trúc: d. Nguyên tắc điều chỉnh tối ưu (điều chỉnh cực trị) Yo = y ( t) Var là hàm chýa biết Sõ ðồ cấu trúc: 2.1.5. Phân loại các hệ thống ðiều chỉnh tự ðộng a. Theo định trị (Yo) Nếu dựa vào ðịnh trị Yo thì ta có thể phân ra 3 loại:  Hệ thống giữ ổn định Yo = const  Điều chỉnh chương trình Yo = y ( t ) biết trước  Hệ thống tùy động Yo = y ( t ) = Var không biết trước 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN b. Theo dạng tín hiệu Ta có:  Hệ thống liên tục: Là hệ thống mà tất cả các tín hiệu truyền từ vị trí này đến vị trí khác trong hệ thống 1 cách liên tục (hàm liên tục).  Hệ thống gián đoạn: Là hệ thống mà trong đó có ít nhất 1 tín hiệu biểu diễn bằng hàm gián đoạn theo thời gian. c. Theo dạng phương trình vi phân mô tả hệ thống  Hệ thống tuyến tính: Là hệ thống mà đặc tính tĩnh của tất cả các phân tử là tuyến tính. Phương trình trạng thái mô tả cho hệ thống tuyến tính là các phương trình tuyến tính. Đặc điểm cơ bản của hệ thống này thực hiện được nguyên lý xếp chồng. Tức là nếu hệ thống có nhiều tác động đồng thời, thì phản ứng đầu ra của nó là tổng tất cả phản ứng do từng tác động riêng lẻ vào hệ thống.  Hệ thống phi tuyến: là hệ thống mà trong đó có 1 đặc tính của một phân tử là hàm phi tuyến. Phương trình trạng thái mô tả cho hệ thống này là phương trình phi tuyến. Đặc điểm của hệ thống phi tuyến là 2 thực hiện được nguyên lý xếp chồng.  Hệ thống tuyến tính hóa: là hệ thống phi tuyến được tuyến tính hóa. Tuyến tính hóa các đặc tính phi tuyến có nhiều phương pháp. d. Theo dạng thay đổi đặc tính của hệ thống  Hệ thống tự thích nghi: Thích nghi với cả trường hợp điều kiện thay đổi.  Hệ thống không tự thích nghi: Không tự chỉ định được. e. Theo dạng năng lượng tiêu thụ  Hệ thống điện  Hệ thống khí nén  Hệ thống thủy lực  Hệ thống tổng hợp f. Theo thông số điều chỉnh  Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN  Hệ thống điều chỉnh áp suất  Hệ thống điều chỉnh lưu lượng 2.2. Giới thiệu về bộ điều khiển tự chỉnh 2.2.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển tự chỉnh cơ bản: Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tự chỉnh cơ bản 2.2.2. Chức năng các khối trong bộ điều khiển tự chỉnh: Bộ ước lượng (ESTIMATOR): Tín hiệu vào: Tín hiệu điều khiển điện áp động cơ, tín hiệu ra thực tế, thông số động cơ từ mô hình chuẩn. Tín hiệu ra: Thông số ước lượng của hệ thống. Chức năng: Ước lượng trạng thái của động cơ thông qua những thông số đọc về từ encoder và tín hiệu tham khảo từ mô hình chuẩn. Tính toán giá trị sai số ước lượng trong lần điều khiển tiếp theo. Bộ điều khiển (CONTROLLER): Tín hiệu vào: Thông số ước lượng của hệ thống, tín hiệu đặt, tín hiệu ra thực tế. Tín hiệu ra: Tín hiệu điều khiển điện áp động cơ. Chức năng: Tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên kết quả của bộ ước lượng sao cho động cơ có đáp ứng hoàn hảo giống mô hình mẫu. Khối mô hình chuẩn (PREFERENCE MODEL): 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Tín hiệu vào: Tín hiệu đặt. Tín hiệu ra: Thông số động cơ từ mô hình chuẩn. Chức năng: Tính toán dựa trên những hàm của Matlab. Có đáp ứng hoàn hảo với vọt lố bằng không và thời gian xác lập nhanh nhất. 2.3. Giới thiệu về các phương pháp tự chỉnh tham số 2.3.1. Xác định thông số hệ thống Với sự tiến bộ trong công nghệ, các phương pháp tự chỉnh tham số mới được đề xuất nhằm nâng cao khả năng điều khiển các hệ thống trong sản xuất công nghiệp. Để thiết kế được một hệ thống tự chỉnh thì xác định thông số là một khâu rất quan trọng. Mục đích chính của việc tự chỉnh tham số là thiết kế một chiến lược kiểm soát bằng việc xây dựng mô hình toán học chính xác, thiết kế bộ điều khiển chính xác. Đối với những hệ thống đòi hỏi độ chính xác và tin cậy cao thì xác định thông số chính xác là khâu quan trọng nhất. Mỗi quá trình xác định thông số đòi hỏi một loạt các bước cơ bản. Chất lượng của các kết quả thu được phụ thuộc vào việc thực hiện đúng các bước sau nếu không nó có thể dẫn đến kết quả kém chính xác. Trong mỗi quá trình cần thực hiện các bước sau đây:  Thu thập thông tin hệ thống  Lựa chọn một chiến lược kiểm soát và mô phỏng cấu trúc cho hệ thống.  Lựa chọn thông số mô hình phù hợp nhất với mô hình  Đo đạc: Lựa chọn một tiêu chuẩn phù hợp nhất  Chứng thực mô hình được chọn Việc xác định thông số có ưu điểm sau:  Thời gian và tiền bạc được tiết kiệm vì không cần phải sử dụng đến những thiết bị cơ khí  Toàn bộ thông tin hệ thống: nó cung cấp đầy đủ thông tin về đường cong đặc trưng và giá trị của mọi động cơ 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 2.3.2. Lựa chọn phương pháp tự chỉnh tham số Để xây dựng một phương pháp tự chỉnh tham số, yếu tố cơ bản đầu tiên là cần lựa chọn được phương pháp xác định thông số. Một số phương pháp xác định thông số phổ biến: a. Phương pháp khớp đường cong: Phương pháp khớp đường cong hiện tại là phương pháp phổ biến và hữu ích nhất trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Phương pháp này cho phép xây dựng lại đường cong từ các điểm có được bằng phương pháp đo, từ đó có được phương trình biểu diễn của đường cong đi qua các điểm đó. Thuật ngữ khớp đường cong hay điều chỉnh dữ liệu được dùng để mô tả bài toán tổng quát của việc tìm các hàm khớp với một tập các giá trị điểm. Những dạng của khớp đường cong:  Hồi quy tuyến tính: Hồi quy tuyến tính là việc tìm một đường thằng khớp với các điểm dữ liệu theo tiêu chí bình phương tối thiểu. Tập hợp N cặp điểm dữ liệu {(xi,fi) : i= 1,, N} Đường thẳng y(x)=mx+b sẽ khớp với tập dữ liệu theo tiêu chí bình phương tối thiểu L(m, b) = ∑(fi − (mxi + b))2 𝑛 𝑖=1 Nếu bậc của phương trình tăng lên bậc hai thì đa thức phù hợp thì ta sử dụng đến dạng khớp đường cong bậc cao.  Khớp đường cong bậc cao Ta xây dựng đường cong khớp 𝑃𝑀(𝑥) = 𝑎0 + 𝑎1x + 𝑎2𝑥 2 + ⋯ + 𝑎𝑀𝑥 𝑀 Khớp với bộ dữ liệu {(xi,fi) : i= 1,, N} theo tiêu chí bình phương tối thiểu. b. Phương pháp bình phương tối thiểu: Một trong những kỹ thuật phổ biến để xác định các thông số là phương pháp bình phương tối thiểu. Phương pháp bình phương tối thiểu, còn gọi là bình phương 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN nhỏ nhất hay bình phương trung bình tối thiểu là một phương pháp tối ưu hóa để lựa chọn một đường cong khớp nhất cho một dải dữ liệu ứng với cực trị của tổng các sai số thống kê giữa đường khớp và dữ liệu. Phương pháp này giả định các sai số của phép đo đạc dữ liệu phân phối ngẫu nhiên. Có nhiều lý do để chọn phương pháp này, trước hết nó hoạt động tốt với các mô hình tuyến tính đơn giản, việc sử dụng bình phương làm cho phương pháp bình phương tối thiểu dễ ứng dụng vì theo định lý Pythagore nếu sai số độc lập với một đại lượng ước lượng thì bình phương sai số có thể được thêm vào. Ngoài ra các công thức toán học và thuật toán liên quan đến phương pháp bình phương tối thiểu như đạo hàm đều dễ sử dụng. Hình 2.2: Phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy Bình phương tối thiểu tuyến tính là một kỹ thuật trong ngành tối ưu toán học để tìm một nghiệm gần đúng cho một hệ phương trình tuyến tính không có nghiệm chính xác. Điều này thường xảy ra khi số phương trình là (m) lớn hơn số biến (n). Theo từ ngữ toán học, chúng ta muốn tìm nghiệm của "phương trình": Ax  b với A là một ma trận cỡ m-nhân-n (với m > n) và x và b theo thứ tự đó là vectơ cột với n-cột và m-hàng. Một cách chính xác hơn, ta muốn làm tối thiểu chuẩn Euclidean bình phương của phần dư Ax – b. 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Trong trường hợp đó, nghiệm của hệ phương trình tuyến tính là duy nhất và được cho bởi: x = (ATA)-1ATb c. Phương pháp Kappa-tau (KT) Phương pháp này tính toán các tham số của bộ điều khiển PID thương mại chuẩn (3.8) không có đạo hàm đầu ra (tức là hệ số c=0). Một yêu cầu nữa đối với trường hợp này là độ dự trữ ổn định Ms được định nghĩa bởi:   1 1 maxsM L j    có giá trị là 1.4 (tự chỉnh vừa) hoặc 2.0 (tự chỉnh linh hoạt). Định nghĩa hệ số khuyếch đại chuẩn hóa α và thời gian trễ chuẩn hóa τ như sau: L L T L T      Khi đó, các tham số PID được tính như sau: 2 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 0 0 0 0 iA A B B i C C d D D A K e T LB e T LC e b D e                  Với các hệ số Ai, Bi, Ci và Di được tính theo bảng sau: 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN Structure PI PI PID PID Ms 1.4 2.0 1.4 2.0 A0 0.29 0.78 3.8 8.4