การตั้งค่าคอนโทรลเลอร์ PID: ปีศาจน่ากลัวพอๆ กับที่มันสร้างมาให้เป็นหรือเปล่า? ส่วนที่ 1 ระบบวงจรเดี่ยว

บทความนี้จะเริ่มต้นชุดบทความที่เกี่ยวข้องกับวิธีการอัตโนมัติสำหรับการปรับแต่งตัวควบคุม PID ในสภาพแวดล้อม Simulink วันนี้เราจะมาดูวิธีการทำงานกับแอปพลิเคชัน PID Tuner

การแนะนำ

ตัวควบคุมประเภทที่ได้รับความนิยมมากที่สุดที่ใช้ในอุตสาหกรรมในระบบควบคุมแบบวงปิดถือได้ว่าเป็นตัวควบคุม PID และถ้าวิศวกรจำโครงสร้างและหลักการทำงานของคอนโทรลเลอร์ตั้งแต่สมัยเรียน การกำหนดค่าของมันก็คือ การคำนวณสัมประสิทธิ์ตัวควบคุมยังคงเป็นปัญหาอยู่ มีวรรณกรรมจำนวนมากทั้งจากต่างประเทศ (เช่น [1, 2]) และในประเทศ (เช่น [3, 4]) ซึ่งการปรับหน่วยงานกำกับดูแลได้รับการอธิบายในภาษาที่ค่อนข้างซับซ้อนของทฤษฎีการควบคุมอัตโนมัติ

บทความชุดนี้จะอธิบายวิธีอัตโนมัติในการปรับแต่งคอนโทรลเลอร์ PID โดยใช้เครื่องมือ Simulink เช่น:

• PID จูนเนอร์
• เครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพการตอบสนอง
• ระบบควบคุมจูนเนอร์,
• จูนเนอร์ PID ตามการตอบสนองความถี่,
• จูนเนอร์อัตโนมัติ PID แบบวงปิด

วัตถุของระบบควบคุมจะเป็นตัวขับเคลื่อนไฟฟ้าที่ใช้มอเตอร์กระแสตรงซึ่งตื่นเต้นด้วยแม่เหล็กถาวร ซึ่งทำงานร่วมกับกระปุกเกียร์สำหรับโหลดเฉื่อย โดยมีพารามิเตอร์ต่อไปนี้:

• แรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์, ;
• ความต้านทานแบบแอคทีฟของขดลวดกระดองมอเตอร์ ;
• รีแอคแตนซ์แบบเหนี่ยวนำของขดลวดกระดองมอเตอร์ ;
• ค่าสัมประสิทธิ์แรงบิดของเครื่องยนต์, ;
• โมเมนต์ความเฉื่อยของโรเตอร์มอเตอร์ .

พารามิเตอร์โหลดและกระปุกเกียร์:

• โมเมนต์ความเฉื่อยของโหลด ;
• อัตราทดเกียร์, .

บทความในทางปฏิบัติไม่มีสูตรทางคณิตศาสตร์ แต่ขอแนะนำให้ผู้อ่านมีความรู้พื้นฐานในทฤษฎีการควบคุมอัตโนมัติตลอดจนประสบการณ์ในการสร้างแบบจำลองในสภาพแวดล้อม Simulink เพื่อทำความเข้าใจเนื้อหาที่เสนอ

โมเดลระบบ

ลองพิจารณาระบบควบคุมเชิงเส้นสำหรับความเร็วเชิงมุมของไดรฟ์เซอร์โวไฟฟ้า ซึ่งเป็นแผนภาพบล็อกแบบง่ายซึ่งแสดงไว้ด้านล่าง

ตามโครงสร้างที่กำหนด แบบจำลองของระบบดังกล่าวถูกสร้างขึ้นในสภาพแวดล้อม Simulink

แบบจำลองของระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า (ระบบย่อยของแอคชูเอเตอร์ไฟฟ้า) และโหลดเฉื่อย (ระบบย่อยโหลด) ถูกสร้างขึ้นโดยใช้บล็อกไลบรารีการสร้างแบบจำลองทางกายภาพ ซิมสเคป:

• รุ่นขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า,

• แบบจำลองโหลดเฉื่อย

โมเดลไดรฟ์ไฟฟ้าและโหลดยังรวมถึงระบบย่อยของเซ็นเซอร์ที่มีปริมาณทางกายภาพต่างๆ:

• กระแสที่ไหลในขดลวดกระดองของมอเตอร์ (ระบบย่อย A)

• แรงดันไฟฟ้าที่คดเคี้ยว (ระบบย่อย V)

• ความเร็วเชิงมุมของวัตถุควบคุม (ระบบย่อย Ω)

ก่อนที่จะตั้งค่าพารามิเตอร์ของคอนโทรลเลอร์ PID เรามารันโมเดลเพื่อการคำนวณ โดยยอมรับฟังก์ชันถ่ายโอนของคอนโทรลเลอร์ก่อน . ผลการจำลองสำหรับสัญญาณอินพุต 150 รอบต่อนาทีแสดงไว้ด้านล่าง

จากการวิเคราะห์กราฟข้างต้นจะเห็นได้ว่า:

• พิกัดเอาต์พุตของระบบควบคุมไม่ถึงค่าที่ระบุ เช่น มีข้อผิดพลาดคงที่ในระบบ
• แรงดันไฟฟ้าบนขดลวดมอเตอร์ถึงค่า 150 V ที่จุดเริ่มต้นของการจำลองซึ่งจะนำไปสู่ความล้มเหลวเนื่องจากการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่มากกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด (24 V) ไปยังขดลวด

ปล่อยให้การตอบสนองของระบบต่อแรงกระตุ้นเดียวต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้:

• เกิน (Overshoot) ไม่เกิน 10%
• เวลาเพิ่มขึ้นน้อยกว่า 0.8 วินาที
• เวลาชั่วคราว (เวลาตกตะกอน) น้อยกว่า 2 วินาที

นอกจากนี้ตัวควบคุมจะต้องจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับขดลวดมอเตอร์ให้เท่ากับค่าแรงดันไฟฟ้า

การตั้งค่าตัวควบคุม

พารามิเตอร์ตัวควบคุมได้รับการกำหนดค่าโดยใช้เครื่องมือ PID จูนเนอร์ซึ่งสามารถใช้ได้โดยตรงในหน้าต่างพารามิเตอร์บล็อกตัวควบคุม PID

แอปพลิเคชันเปิดขึ้นโดยการกดปุ่ม ปรับ...ตั้งอยู่บนแผง การปรับจูนอัตโนมัติ. เป็นที่น่าสังเกตว่าก่อนที่จะดำเนินการขั้นตอนการตั้งค่าพารามิเตอร์คอนโทรลเลอร์จำเป็นต้องเลือกประเภทของมัน (P, PI, PD ฯลฯ ) รวมถึงประเภทของมัน (อะนาล็อกหรือแบบแยกส่วน)

เนื่องจากข้อกำหนดประการหนึ่งคือการจำกัดพิกัดเอาต์พุต (แรงดันไฟฟ้าที่ขดลวดมอเตอร์) จึงควรระบุช่วงแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาต สำหรับสิ่งนี้:

1. ไปที่แท็บ ความอิ่มตัวของเอาต์พุต.
2. คลิกที่ปุ่มธง จำกัดการส่งออกซึ่งเป็นผลมาจากการที่ฟิลด์สำหรับการตั้งค่าขอบเขตบน (ขีดจำกัดบน) และล่าง (ขีดจำกัดล่าง) ของช่วงค่าเอาต์พุตถูกเปิดใช้งาน
3. กำหนดขอบเขตของช่วง

การทำงานที่ถูกต้องของชุดควบคุมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบเกี่ยวข้องกับการใช้วิธีการที่มุ่งต่อสู้กับความอิ่มตัวของสี บล็อกนี้ใช้สองวิธี: การคำนวณย้อนกลับและการหนีบ ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการเหล่านี้อยู่ ที่นี่. เมนูแบบเลื่อนลงการเลือกวิธีการจะอยู่บนแผงควบคุม ต่อต้านการไขลาน.

ในกรณีนี้เราจะเขียนค่า 24 และ -24 ลงในช่อง ขีด จำกัด บน и ขีด จำกัด ต่ำกว่า และใช้วิธีการจับยึดเพื่อขจัดความอิ่มตัวของสี

คุณอาจสังเกตเห็นว่ารูปลักษณ์ของบล็อกควบคุมเปลี่ยนไป: เครื่องหมายความอิ่มตัวปรากฏถัดจากพอร์ตเอาต์พุตของบล็อก

จากนั้นยอมรับการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดโดยกดปุ่ม ใช้ให้กลับไปที่แท็บ หลัก และกดปุ่ม ปรับ...ซึ่งจะเปิดหน้าต่างแอปพลิเคชัน PIDTuner ใหม่

ในพื้นที่กราฟิกของหน้าต่าง กระบวนการชั่วคราวสองกระบวนการจะปรากฏขึ้น: ด้วยพารามิเตอร์ปัจจุบันของตัวควบคุม เช่น สำหรับคอนโทรลเลอร์ที่ไม่ได้กำหนดค่าและสำหรับค่าที่เลือกโดยอัตโนมัติ สามารถดูค่าพารามิเตอร์ใหม่ได้โดยคลิกที่ปุ่ม แสดงพารามิเตอร์ตั้งอยู่บนแถบเครื่องมือ เมื่อคุณกดปุ่ม ตารางสองตารางจะปรากฏขึ้น: พารามิเตอร์ที่เลือกของตัวควบคุม (พารามิเตอร์ตัวควบคุม) และการประเมินลักษณะของกระบวนการชั่วคราวด้วยพารามิเตอร์ที่เลือก (ประสิทธิภาพและความทนทาน)

ดังที่เห็นได้จากค่าของตารางที่สอง ค่าสัมประสิทธิ์ตัวควบคุมที่คำนวณโดยอัตโนมัติจะเป็นไปตามข้อกำหนดทั้งหมด

การตั้งค่าตัวควบคุมเสร็จสมบูรณ์โดยการกดปุ่มที่มีรูปสามเหลี่ยมสีเขียวอยู่ทางด้านขวาของปุ่ม แสดงพารามิเตอร์หลังจากนั้นค่าพารามิเตอร์ใหม่จะเปลี่ยนโดยอัตโนมัติในฟิลด์ที่เกี่ยวข้องในหน้าต่างการตั้งค่าพารามิเตอร์บล็อกตัวควบคุม PID

ผลลัพธ์ของการจำลองระบบด้วยตัวควบคุมที่ได้รับการปรับแต่งสำหรับสัญญาณอินพุตหลายสัญญาณแสดงไว้ด้านล่าง ที่ระดับสัญญาณอินพุตสูง (เส้นสีน้ำเงิน) ระบบจะทำงานในโหมดแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัว

โปรดทราบว่าเครื่องมือ PID Tuner จะเลือกค่าสัมประสิทธิ์ตัวควบคุมตามโมเดลเชิงเส้น ดังนั้นเมื่อย้ายไปยังโมเดลไม่เชิงเส้น จึงจำเป็นต้องชี้แจงพารามิเตอร์ให้ชัดเจน ในกรณีนี้คุณสามารถใช้แอปพลิเคชันได้ เครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพการตอบสนอง.

วรรณกรรม

1. คู่มือกฎการปรับแต่ง PI และ PID Controller ไอดาน โอดไวเออร์
2. การออกแบบระบบควบคุม PID และการปรับแต่งอัตโนมัติโดยใช้ MATLAB, Simulink วัง แอล.
3. การควบคุม PID ในรูปแบบที่ไม่เข้มงวด คาร์ปอฟ วี.อี.
4. ตัวควบคุมพีไอดี ปัญหาการดำเนินงาน ส่วนที่ 1, 2. เดนิเซนโก วี.

ที่มา: will.com