Bài viết này bắt đầu một loạt bài viết về các phương pháp tự động điều chỉnh bộ điều khiển PID trong môi trường Simulink. Hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu cách làm việc với ứng dụng PID Tuner.
Giới thiệu
Loại bộ điều khiển phổ biến nhất được sử dụng trong công nghiệp là các hệ thống điều khiển vòng kín có thể coi là bộ điều khiển PID. Và nếu các kỹ sư còn nhớ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển từ thời còn là sinh viên, thì cấu hình của nó, tức là. việc tính toán các hệ số điều khiển vẫn còn là một vấn đề. Có một lượng lớn tài liệu, cả nước ngoài (ví dụ [1, 2]) và trong nước (ví dụ [3, 4]), trong đó việc điều chỉnh bộ điều chỉnh được giải thích bằng ngôn ngữ khá phức tạp của lý thuyết điều khiển tự động.
Loạt bài này sẽ mô tả các cách tự động điều chỉnh bộ điều khiển PID bằng các công cụ Simulink như:
- Bộ điều chỉnh PID
- Trình tối ưu hóa phản hồi
- Bộ điều chỉnh hệ thống điều khiển,
- Bộ điều chỉnh PID dựa trên đáp ứng tần số,
- Bộ điều chỉnh tự động PID vòng kín.
Đối tượng của hệ thống điều khiển sẽ là một bộ truyền động điện dựa trên động cơ DC được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, làm việc cùng với hộp số để tạo tải quán tính, với các thông số sau:
- điện áp cung cấp động cơ, ;
- điện trở hoạt động của cuộn dây phần ứng động cơ, ;
- điện kháng cảm ứng của cuộn dây phần ứng động cơ, ;
- hệ số mômen động cơ, ;
- mô men quán tính của rôto động cơ, .
Thông số tải và hộp số:
- Momen quán tính của tải, ;
- tỉ số truyền, .
Các bài viết thực tế không chứa các công thức toán học, tuy nhiên, người đọc cần có kiến thức cơ bản về lý thuyết điều khiển tự động, cũng như kinh nghiệm lập mô hình trong môi trường Simulink để hiểu được tài liệu được đề xuất.
Mô hình hệ thống
Chúng ta hãy xem xét một hệ thống điều khiển tuyến tính cho vận tốc góc của bộ truyền động điện servo, sơ đồ khối đơn giản hóa được trình bày dưới đây.
Theo cấu trúc nhất định, một mô hình của hệ thống như vậy đã được xây dựng trong môi trường Simulink.
Các mô hình truyền động điện (Hệ thống con bộ truyền động điện) và tải quán tính (Hệ thống con tải) được tạo bằng các khối thư viện mô hình vật lý :
- mô hình truyền động điện,
- mô hình tải quán tính.
Các mô hình truyền động điện và tải cũng bao gồm các hệ thống con cảm biến với các đại lượng vật lý khác nhau:
- dòng điện chạy trong cuộn dây phần ứng của động cơ (hệ thống con A),
- điện áp trên cuộn dây của nó (hệ thống con V),
- vận tốc góc của đối tượng điều khiển (hệ con Ω).
Trước khi thiết lập các thông số của bộ điều khiển PID, chúng ta chạy mô hình tính toán, chấp nhận hàm truyền của bộ điều khiển . Kết quả mô phỏng cho tín hiệu đầu vào 150 vòng/phút được hiển thị bên dưới.
Qua phân tích đồ thị trên cho thấy:
- Tọa độ đầu ra của hệ thống điều khiển không đạt giá trị đã chỉ định, tức là. Có một lỗi tĩnh trong hệ thống.
- Điện áp trên cuộn dây động cơ đạt giá trị 150 V khi bắt đầu mô phỏng, điều này sẽ dẫn đến hỏng động cơ do cung cấp điện áp lớn hơn giá trị danh định (24 V) cho cuộn dây của nó.
Để đáp ứng của hệ thống đối với một xung duy nhất phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- vượt quá (Overshoot) không quá 10%,
- Thời gian tăng ít hơn 0.8 giây,
- Thời gian thoáng qua (Thời gian lắng) dưới 2 giây.
Ngoài ra, bộ điều chỉnh phải giới hạn điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ ở giá trị của điện áp cung cấp.
Thiết lập bộ điều khiển
Các thông số của bộ điều khiển được cấu hình bằng công cụ , có sẵn trực tiếp trong cửa sổ tham số khối Bộ điều khiển PID.
Ứng dụng được khởi chạy bằng cách nhấn nút Điều chỉnh…nằm trên bảng điều khiển Điều chỉnh tự động. Điều cần lưu ý là trước khi thực hiện giai đoạn thiết lập các tham số của bộ điều khiển, cần phải chọn loại của nó (P, PI, PD, v.v.), cũng như loại của nó (tương tự hoặc rời rạc).
Vì một trong những yêu cầu là giới hạn tọa độ đầu ra của nó (điện áp trên cuộn dây động cơ), nên phải xác định phạm vi điện áp cho phép. Đối với điều này:
- Đi tới tab Độ bão hòa đầu ra.
- Bấm vào nút cờ Giới hạn sản lượng, do đó các trường thiết lập ranh giới trên (Giới hạn trên) và dưới (Giới hạn dưới) của phạm vi giá trị đầu ra được kích hoạt.
- Đặt ranh giới phạm vi.
Hoạt động chính xác của bộ điều chỉnh như một phần của hệ thống liên quan đến việc sử dụng các phương pháp nhằm chống bão hòa tích hợp. Khối thực hiện hai phương pháp: tính toán ngược và kẹp. Thông tin chi tiết về các phương pháp này nằm ở . Menu thả xuống lựa chọn phương pháp nằm trên bảng điều khiển Chống gió.
Trong trường hợp này, chúng tôi sẽ viết giá trị 24 và -24 vào các trường Giới hạn trên и Giơi hạn dươi tương ứng, đồng thời sử dụng phương pháp kẹp để loại bỏ độ bão hòa tích phân.
Bạn có thể nhận thấy rằng diện mạo của khối điều chỉnh đã thay đổi: dấu hiệu bão hòa đã xuất hiện bên cạnh cổng đầu ra của khối.
Tiếp theo, chấp nhận mọi thay đổi bằng cách nhấn nút Đăng Nhập, quay lại tab Chủ yếu và nhấn nút Điều chỉnh…, thao tác này sẽ mở một cửa sổ ứng dụng PIDTuner mới.
Trong vùng đồ họa của cửa sổ, hai quy trình nhất thời được hiển thị: với các tham số hiện tại của bộ điều khiển, tức là. đối với bộ điều khiển chưa được định cấu hình và đối với các giá trị được chọn tự động. Giá trị tham số mới có thể được xem bằng cách nhấp vào nút Hiển thị thông sốnằm trên thanh công cụ. Khi bạn nhấn nút, hai bảng sẽ xuất hiện: các tham số đã chọn của bộ điều khiển (Thông số bộ điều khiển) và đánh giá các đặc tính của quá trình nhất thời với các tham số đã chọn (Hiệu suất và Độ mạnh mẽ).
Như có thể thấy từ các giá trị của bảng thứ hai, các hệ số của bộ điều khiển được tính toán tự động đáp ứng tất cả các yêu cầu.
Việc cài đặt bộ điều chỉnh được hoàn tất bằng cách nhấn nút có hình tam giác màu xanh lá cây nằm ở bên phải nút Hiển thị thông số, sau đó các giá trị tham số mới sẽ tự động thay đổi trong các trường tương ứng trong cửa sổ cài đặt tham số khối Bộ điều khiển PID.
Kết quả mô phỏng một hệ thống với bộ điều khiển được điều chỉnh cho một số tín hiệu đầu vào được hiển thị bên dưới. Ở mức tín hiệu đầu vào cao (đường màu xanh), hệ thống sẽ hoạt động ở chế độ bão hòa điện áp.
Lưu ý rằng công cụ PID Tuner lựa chọn các hệ số của bộ điều khiển dựa trên mô hình tuyến tính hóa nên khi chuyển sang mô hình phi tuyến cần làm rõ các tham số của nó. Trong trường hợp này, bạn có thể sử dụng ứng dụng .
Văn chương
- Sổ tay Quy tắc điều chỉnh bộ điều khiển PI và PID. Aidan O'Dwyer
- Thiết kế hệ thống điều khiển PID và điều chỉnh tự động bằng MATLAB, Simulink. Vương L.
- Điều khiển PID ở dạng không chặt chẽ. Karpov V.E.
- bộ điều khiển PID. Vấn đề thực hiện. Phần 1, 2. Denisenko V.
Nguồn: www.habr.com