Đồ án Mô hình dạy học truyền động servo thủy lực (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Mô hình dạy học truyền động servo thủy lực (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ MÔ HÌNH DẠY HỌC TRUYỀN ĐỘNG SERVO THỦY LỰC GVHD: Th.S VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: NGUYỄN THANH PHÚC MSSV: 11911017 SVTH: TRẦN MINH TÂM MSSV: 11146098 S K L 0 0 4 2 2 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: MÔ HÌNH DẠY HỌC TRUYỀN ĐỘNG SERVO THỦY LỰC Giảng viên hƣớng dẫn: Th.S VÕ LÂM CHƢƠNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THANH PHÚC MSSV: 11911017 TRẦN MINH TÂM 11146098 Lớp: 119110 & 111461 Khoá: 2011 – 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016
3. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA TP. HCM VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: Th.S Võ Lâm Chƣơng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Phúc MSSV: 11911017 Trần Minh Tâm MSSV: 11146098 1. Tên đề tài: Mô hình dạy học tryền động servo thủy lực. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Festo Close Loop Hydraulics. 3. Nội dung chính của đồ án: Điều khiển vị trí hệ bàn trƣợt thủy lực. Thiết kế giao diện điều khiển. Biên soạn bài thực hành. 4. Các sản phẩm dự kiến: Giao diện điều khiển vị trí hệ bàn trƣợt thủy lực. Đề cƣơng chi tiết bài thực hành. 5. Ngày giao đồ án: 08/09/2015 6. Ngày nộp đồ án: 14/01/2016 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Mô hình dạy học truyền động servo thủy lực. - GVHD: Th.S Võ Lâm Chƣơng - Họ tên sinh viên: Nguyễn Thanh Phúc MSSV: 11911017 Lớp: 119110 Địa chỉ sinh viên: 5/21, Khu Phố 3, Đƣờng Lê Văn Chí, Phƣờng Linh Trung, Quận Thủ Đức, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 0964870786 Email: thanhphuca3@gmail.com - Họ tên sinh viên: Trần MinhTâm MSSV: 11146098 Lớp: 111461 Địa chỉ sinh viên: 88 Trƣơng Văn Thành, Phƣờng Hiệp Phú, Quận 9, Tp.HCM Số điện thoại liên lạc: 01659082514 Email: minhtamtrancdt111461@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 14/01/2016 - Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã đƣợc công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày .tháng 01 năm 2016 Ký tên ii
5. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực LỜI CẢM ƠN  Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Nhà trƣờng, khoa Cơ khí chế tạo máy, Bộ môn Cơ điện tử, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở, chuyên môn trong suốt 4 năm học vừa qua. Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS. Võ Lâm Chƣơng, thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, định hƣớng, góp ý và cung cấp những ý tƣởng cũng nhƣ chỉ dẫn tài liệu thực hiện đồ án. Sự hƣớng dẫn của thầy là yếu tố quan trọng để chúng em có thể hoàn thành đồ án này. Xin cảm ơn các bạn lớp Cơ điện tử 111461 và 119110 đã góp ý, giúp đỡ nhóm rất nhiều trong quá trình làm đồ án. Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những ngƣời luôn sát cánh, nuôi dƣỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả tốt nhƣ ngày hôm nay. Mặc dù đã cố gắng nỗ lực rất nhiều, song đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện iii
6. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực TÓM TẮT ĐỒ ÁN MÔ HÌNH DẠY HỌC TRUYỀN ĐỘNG SERVO THỦY LỰC Trong đồ án này, nhóm chọn chủ đề là nghiên cứu, điều khiển hệ bàn trƣợt thủy lực và biên soạn bài thực hành cho môn học TT Hệ thống truyền động servo. Nội dung bao gồm tìm hiểu thiết bị, kiểm tra lỗi và điều khiển vị trí của hệ bàn trƣợt. Về phần cứng, nhóm có đƣợc bộ thủy lực của Festo với các thiết bị cần thiết và bộ điều khiển PID bằng tay do Festo cung cấp. Sử dụng card PCI 6052E để giao tiếp máy tính và thu thập dữ liệu. Về phần mềm, nhóm đã sử dụng công cụ Simulink cùng với Real Time Window Target của phần mềm Matlab phục vụ cho việc giao tiếp, điều khiển mô hình. Bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng để điều khiển vị trí hệ bàn trƣợt. Ngoài ra nhóm còn thiết kế giao diện điều khiển sử dụng GUI của Matlab. Sau thời gian nghiên cứu, kết quả đạt đƣợc là giao tiếp điều khiển hệ bàn trƣợt bằng máy tính, mô tả đƣợc đặt tính của các thiết bị và nguyên lý hoạt động của hệ. Điều khiển đƣợc vị trí của hệ bàn trƣợt thủy lực, từ đó đạt đƣợc mục tiêu kiểm chứng đƣợc lý thuyết về servo bằng mô hình thực nghiệm. Tóm tắt các chƣơng trong đề tài: Chƣơng 1: Tổng quan đề tài. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết. Chƣơng 3: Phƣơng hƣớng và các giải pháp về bộ điều khiển PID. Chƣơng 4: Giải pháp điều khiển và các thiết bị. Chƣơng 5: Thực nghiệm đánh giá. Chƣơng 6: Bài thực hành hệ servo thủy lực. Sinh viên thực hiện iv
7. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực ABSTRACT DIDACTIC HYDRAULIC SERVO SYSTEM In this final project, the team selected the topic “Study and position control of a hydraulic servo system”. An experiment lesson using this model was also compiled to serve for the subject “Practice of Mechatronic Servo System Control” The model consists of the hydraulic system with the necessary equipment and the manual PID controller supplied by Festo. Using 6052E PCI Card for PC communication and data acquisition. Regarding software, the team used Simulink and Real Time Window Target tools of Matlab to communicate, design PID controller and control position of a sliding table. In addition, the team also designed a human interface tool on the GUI of Matlab. After the research period, the results are to communicate and control the hydraulic system by a computer, investigate characteristics of the device and operation principles of the system. The results also help students understand profoundly and clarify the theory of servo system. v
8. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài. 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. 1 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. 1 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. 1 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu. 1 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu. 1 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu. 2 1.6 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể. 2 1.7 Kết cấu luận văn. 2 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 2.1 Mô hình hóa 3 2.1.1 Phân loại mô hình 3 2.1.2 Phƣơng pháp xây dựng mô hình toán học 3 2.2 Bộ điều khiển PID 4 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 10 vi
9. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực 3.1 Yêu cầu đề tài 10 3.1.1 Lƣu đồ P & ID 10 3.2 Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID 10 3.2.1 Phƣơng pháp điều chỉnh bằng tay 10 3.2.2 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phƣơng pháp thực nghiệm ( phƣơng pháp thứ hai Ziegler-Nichols) 10 3.2.3 Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick (CHR) 11 3.2.4 Phƣơng pháp Cohen-Coon 12 3.2.5 Phƣơng pháp Tyreus-Luyben 12 3.3 Sử dụng phần mềm 12 3.4 Lựa chọn phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID 13 CHƢƠNG 4: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC THIẾT BỊ 14 4.1 Giải pháp điều khiển 14 4.1.1 Matlab 14 4.1.2 Phần cứng thu thập dữ liệu – Card PCI 6052E 16 4.2 Các phần tử mô hình. 21 4.2.1 Bộ nguồn 24VDC 21 4.2.2 Máy bơm thủy lực 21 4.2.3 Dây kết nối 23 4.2.4 Van tuyến tính 24 4.2.5 Bộ bàn trƣợt tuyến tính 31 4.2.6 Bộ hiển thị 34 4.2.7 Cảm biến áp suất 37 4.2.8 Khái quát bộ điều khiển 38 4.3 Sơ đồ khối 43 4.4 Sơ đồ kết nối 43 CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ 45 5.1 Điều khiển PID trên máy tính thông qua Card CPI-6052E 45 5.1.1 Phần mềm và công cụ: 45 5.1.2 Sơ đồ khối điều khiển 46 vii
10. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực 46 5.1.3 Thiết kế bộ PID trên simulink matlab 46 5.1.4 Chƣơng trình điều khiển mô hình thực với bộ PID 47 5.1.5 Tìm thông số PID theo phƣơng pháp thứ hai Ziegler-Nichols 47 5.1.6 Tinh chỉnh 3 thông số PID. 50 5.2 Giao diện điều khiển trên GUI matlab. 51 CHƢƠNG 6: ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT BÀI THỰC HÀNH 52 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 viii
11. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển 4 Hình 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển PID. 5 [7] Hình 2.3: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) 7 [7] Hình 2.4: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) 8 [7] Hình 2.5: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) 9 Hình 2.6: Sơ đồ PID kết hợp với bộ anti-windup 9 Hình 3.1: u đồ P&ID 10 Hình 4.1: Sơ đồ khối Real-time Workshop 15 Hình 4.2: rd 6052 16 Hình 4.3: Sơ đồ chân card PCI 6052E 18 Hình 4.4: Sơ đồ khối card PCI 6052E 19 Hình 4.5: ộ nguồn 24VDC 21 Hình 4.6: Hình ảnh ký hiệu và cấu tạo máy bơm thủy lực 21 Hình 4.7: hiệu và hình ảnh dây kết nối nhanh thủy lực 23 Hình 4.8: n tuyến tính 4/3 24 Hình 4.9: hiệu và sơ đồ mạch điện v n đảo chiều tuyến tính 4/3 24 Hình 4.10: Cấu tạo van tuyến tính 4/3 25 Hình 4.11: Cấu tạo động cơ tuyến tính 26 Hình 4.12: Đ ờng đặc t nh l u l ợng - điện áp điều khiển 27 Hình 4.13: Đ ờng đặc tính áp suất- điện áp điều khiển 27 Hình 4.14: Đ ờng đặc t nh l u l ợng – áp suất 28 Hình 4.15: Đ ờng đặc t nh l u l ợng - điện áp điều khiển 28 Hình 4.16 : Bộ bàn tr ợt tuyến tính 31 Hình 4.17: Cảm biến hành trình 32 Hình 4.18: ộ hiển thị 34 Hình 4.19: ấu tạo bộ hiển thị 35 Hình 4.20: Sơ đồ mạch bộ hiển thị 36 Hình 4.21: Cảm biến áp suất 37 Hình 4.22: ộ điều khiển PID bằng tay của Festo 39 Hình 4.23: ấu tạo bộ điều khiển PID bằng tay của Festo 40 Hình 4.24: Thiết lập giá trị khâu P 41 Hình 4.25: Thiết lập giá trị cho khâu I 42 Hình 4.26: Thiết lập giá trị cho khâu D 42 Hình 4.27: Sơ đồ khối mô hình 43 Hình 4.28: Sơ đồ kết nối thủy lực 43 Hình 4.29: Sơ đồ kết nối phần điện 44 Hình 5.1: Sơ đồ khối điều khiển 46 Hình 5.2: Thiết kế bộ điều khiển PID 46 Hình 5.3: h ơng trình điều khiển với bộ PID 47 Hình 5.4: Đồ thị d o động điều hòa 47 Hình 5.5: Đồ thị biểu thị tọ độ 2 đỉnh sóng 48 Hình 5.6: Đồ thị đáp ứng theo ph ơng pháp Ziegler-Nichols 2 49 ix
12. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực Hình 5.7: Đồ thị tọ độ vọt lố và thời gi n tăng tr ởng 49 Hình 5.8: Đồ thị đáp ứng mô hình với hàm Step giá trị đặt 9 và 3 50 Hình 5.9: Đồ thị đáp ứng mô hình với hàm Step giá trị đặt là 3 và 9 50 Hình 5.10: i o điện điều khiển mô hình 51 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Tác động của việc tăng các thông số độc lập 6 Bảng 3.1: Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng ph ơng pháp Ziegler-Nichols. 11 Bảng 3.2: Lựa chọn bộ điều khiển theo ph ơng pháp HR. 11 Bảng 3.3: Các tham số bộ D theo ph ơng pháp HR 12 Bảng 3.4: Các thông số điều khiển củ ph ơng pháp Tyreus-Luyben 12 Bảng 4.1: Phạm vi thực tế và độ ch nh xác phép đo c rd 6052 16 Bảng 4.2: Các chuẩn kết nối input 19 Bảng 4.3: Kết nối điện và thủy lực cho van 29 Bảng 4.4: Thông số về k ch th ớc củ bàn tr ợt 33 Bảng 4.5: Khoảng dịch chuyển củ bàn tr ợt 33 Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật của cảm biến hành trình 33 Bảng 4.7: Thông số kỹ thuật của xy lanh thủy lực 34 Bảng 4.8: Màu dây cảm biến áp suất 37 Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất 38 x
13. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT P&ID: Piping and Instrumentation Diagram GUI: Graphical User Interfaces PID: Proportional Integral Derivative xi
14. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài. Điều khiển chính xác vị trí là một khâu rất quan trọng trong nhiều hoạt động sản xuất, nó góp phần không nhỏ vào việc quyết định chất lƣợng sản phẩm. Với phƣơng pháp điều khiển vòng kín thì tính chính xác của điều khiển theo vị trí đƣợc đảm bảo tốt hơn. Các thông số cần điều khiển luôn đƣợc đo lƣờng, điều chỉnh liên tục và khi đến vị trí yêu cầu thì vận tốc của đối tƣợng cần điều khiển là bằng không, điều này khắc phục đƣợc sai lệch do quán tính. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Các hệ thống điều khiển khi thiết kế đều yêu cầu thoả mãn các chỉ tiêu chất lƣợng cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động: - Thời gian quá độ ngắn. - Độ chính xác cao. - Sai lệch tĩnh nhỏ. Với những kết quả nghiên cứu và thực nghiệm trên mô hình của đề tài sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và học tập trong trƣờng tạo tiền đề cho việc phát triển đề tài ở mức cao hơn để có thể áp dụng cho các hệ thống thực tế và trong các quá trình sản xuất. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Hiện nay tại trƣờng môn thí nghiệm hệ thống truyền động servo còn rất mới, nên các thiết bị và các mô hình để đảm bảo tích chất môn học thì chƣa đủ. Với đề tài này nhóm hy vọng sẽ đóng góp một mô hình đúng nghĩa và bổ ích cho môn học, giúp sinh viên có sự tiếp xúc thực tế về các hệ trống servo đặt biệt là servo thủy lực. Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài: “ Mô hình dạy học truyền động servo thủy lực “ là đề tài tốt nghiệp. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu. Đối tƣợng nghiên cứu là điều khiển vị trí hệ bàn trƣợt thủy lực. Với các phần tử của Festo cung cấp giúp hình thành nên phƣơng pháp nghiên cứu đơn giản và hiệu quả. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử thủy lực. Tìm hiểu card PCI 6052E. Vận hành điều khiển hệ bàn trƣợt. Biên soạn đề cƣớng chi tiết bài thực hành. 1
15. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu. Nghiên cứu lý thuyết điều khiển quá trình. Lý thuyết điều khiển quá trình. Tìm hiểu các phƣơng pháp nhận dạng hệ thống và tiến hành mô phỏng bằng Matlab – Simulink. Các phần tử thủy lực. Phƣơng pháp biên soạn bài thực hành. 1.6 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể. Khảo sát hệ bàn trƣợt và van tuyến tính. Thiết kế chƣơng trình điều khiển vị trí hệ bàn trƣợt. 1.7 Kết cấu luận văn. Chƣơng 1: Tổng quan đề tài. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết. Chƣơng 3: Phƣơng hƣớng và các giải pháp về bộ điều khiển PID. Chƣơng 4: Giải pháp điều khiển và các thiết bị. Chƣơng 5: Thực nghiệm đánh giá. Chƣơng 6: Bài thực hành hệ servo thủy lực. 2
16. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô hình hóa Nội dung phần này đƣợc tham khảo và trích dẫn chủ yếu trong tài liệu [1]. Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể đã có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Mô hình có thể đƣợc sử dụng để xây dựng các bộ điều khiển, mô phỏng, dự báo, phát hiện, chẩn đoán lỗi và tối ƣu hóa hệ thống. 2.1.1 Phân loại mô hình Mô hình đồ họa: Sơ đồ khối, lƣu đồ P&ID, lƣu đồ thuật toán Mô hình đồ họa phù hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tƣơng tác giữa các thành phần. Mô hình toán học: phƣơng trình vi phân, phƣơng trình đại số, hàm truyền, mô hình trạng thái. Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu về các đặc tính của từng thành phần cũng nhƣ bản chất các mối liên kết và tƣơng tác. Mô hình máy tính: chƣơng trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống. Mô hình suy luận: là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính của hệ thống thực dƣới dạng các luật suy diễn, sử dụng ngôn ngữ bậc cao. 2.1.2 Phƣơng pháp xây dựng mô hình toán học Mô hình toán học là các biểu thức toán học mô tả hệ thống. Một hệ thống có thể đƣợc thể hiện bằng nhiều cách khác nhau, do vậy có thể có nhiều mô hình toán khác nhau cho một hệ thống. Do đó cũng có nhiều phƣơng pháp để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống. Phương pháp lý thuyết (mô hình hóa): Phƣơng pháp này là cách xây dựng mô hình trên nên tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị trong mô hình. Ta sẽ phân tích quá trình và mô hình hóa theo lý thuyết, mô hình này sẽ là một hệ các phƣơng trình vi phân và phƣơng trình đại số. Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng hệ thống): Phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là nhận dạng hệ thống hay phƣơng pháp hộp đen vì hàm truyền đƣợc ƣớc lƣợng trên cơ sở thông tin ban đầu của quá trình, quan sát và phân tích số liệu của các tín hiệu vào-ra của hệ thống thực. Phƣơng pháp lý thuyết có ƣu điểm phản ánh các quan hệ vật lý, hóa học giữa các đại lƣợng bên trong hệ thống, từ đó xác định đƣợc cấu trúc mô hình hệ thống. Tuy nhiên, mô hình thu đƣợc từ phƣơng pháp này chỉ phản ánh đƣợc đặc tính động học của quá trình công nghệ mà bỏ qua đặc tính của các thiết bị đo và cơ cấu chấp hành, do vậy làm giảm đi độ chính xác của mô hình lý thuyết. Phƣơng pháp này phù hợp hơn cho việc khảo sát tính động học, cấu trúc mô hình, hơn là việc xác định các tham số của mô hình. 3
17. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực Phƣơng pháp thực nghiệm có ƣu điểm là tất cả các thông số đều đƣợc lấy từ hệ thống thực, loại bỏ đƣợc các sai số do các phép tính toán lý thuyết,từ đó xác định tƣơng đối chính xác các tham số của mô hình. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là chất lƣợng mô hình thu đƣợc phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thiết bị đo, nhiễu tác dộng lên mô hình trong quá trình thu thập dữ liệu. Ngoài ra ta còn có phƣơng pháp kết hợp hai phƣơng pháp trên để cho ra kết quả chính xác nhất. 2.2 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều chỉnh PID sẽ cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào, sau đó đƣa ra 1 tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp. Qua đó giúp hệ thống có thể đạt tới giá trị đặt với thời gian xác lập nhỏ, triệt tiêu sai số xác lập và giảm độ vọt lố, hạn chế dao động. Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển Trong đó: SP: Giá trị đặt. e(t): Sai số (e = SP – PVht) u(t) : Tín hiệu điều khiển PV : Giá trị hiện tại của hệ thống PVht : Giá trị hồi tiếp 4
18. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: khâu khuyếch đại (P); khâu tích phân (I), khâu vi phân (D) đƣợc thể hiện trong hình 2.2 theo tài liệu [7]. Hình 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển PID. Tín hiệu ra của bộ điều khiển: t de() t ut()().()(). MVt Ket Ked K PID (2.1) 0 dt Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng: 1 GCPD( s ) K 1 T s Ts I (2.2) Hoặc: K G() s K I K s (2.3) CPDs Trong đó: KP là độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain) KI là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain) KD là độ lợi của khâu vi phân (Derivative gain) Các thông số điều khiển KP, KI, KD ảnh hƣởng đến đáp ứng của hệ thống đƣợc trình bày trong bảng 2.1. 5
19. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực ảng 2.1: Tác động củ việc tăng các thông số độc lập Thời gian Thời gian xác Thông số Độ vọt lố Sai số xác lập đáp ứng lập KP Giảm Tăng Ít thay đổi Giảm KI Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu Theo lý thuyết KD Ít thay đổi Giảm Giảm thì không ảnh hƣởng Khâu tỉ lệ P: Khâu tỉ lệ P (còn đƣợc gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. đáp ứng tỉ lệ có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số KP. Khâu tỉ lệ đƣợc cho bởi: Pout K P.() e t (2.4) Trong đó: Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra. Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh e: sai số (e = SP – PVht) t: thời gian tức thời 6
20. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực Hình 2.3: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (KI, KD = hằng số) [7] Khâu tỉ lệ P giúp giảm thời gian đáp ứng, giảm sai lệch tĩnh nhƣng không triệt tiêu đƣợc sai lệch tĩnh. KP càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, sai số xác lập càng nhỏ, hệ thống dao động càng nhiều, độ vọt lố càng cao. Nếu KP tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống sẽ dao động không tắt dần gây ra mất ổn định. Khâu tích phân I: Khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta luỹ thừa bù đã đƣợc hiệu chỉnh trƣớc đó. Tích luỹ sai số sau đó đƣợc nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Thừa số tích phân đƣợc cho bởi: t I K.() e d out I (2.5) 0 Trong đó: Iout: thừa số tích phân của đầu ra KI: độ lợi tích phân e: sai số (e = SP – PVht) t: thời gian tức thời 7
21. Mô Hình Dạy Học Truyền Động Servo Thủy Lực  : một biến tích phân trung gian [7] Hình 2.4: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) Bộ điều khiển tích phân I có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh, nhƣng nó có thể làm cho đáp ứng quá độ tồi tệ hơn. KI càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ nhƣng độ vọt lố càng cao. Khâu vi phân D: Tốc độ thay đổi của sai số quá trình đƣợc tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc 1 theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi KD. Thừa số vi phân đƣợc cho bởi: de() t DK . (2.6) out D dt Trong đó: Dout: thừa số vi phân của đầu ra KD: độ lợi vi phân e: sai số (e = SP – PVht) 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4