Bài giảng Lý thuyết điều khiển tự động - Bài 11: Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân, vi phân - Đỗ Tú Anh

Lý thuyết Điều khiển tự động 1 
ThS. Đỗ Tú Anh
Bộ môn Điều khiển tự động
Khoa Điện, Trường ĐHBK HN
Bộ điều khiển
tỷ lệ-tích phân-
vi phân (PID)
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-1
Sơ lược về bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID
HSKĐ tỷ lệ
HSKĐ tích phân
HSKĐ vi phân
Bộ điều khiển PID
PID Proportional-Intergral-Derivative
Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển tự động
trong đó và
Hằng số thời gian tích phân
Hằng số thời gian vi phân
Nhận xét
• Có một điểm cực nằm tại gốc tọa độ
• Có hai điểm không với vị trí phụ thuộc vào Kp, Ti , Td.
Nhiệm vụ
Lựa chọn (chỉnh định) các tham số Kp, Ti, Td để hệ thống đạt được
chất lượng như mong muốn (tốt nhất có thể).
Các bộ điều khiển trong họ PID
Bộ điều khiển P, I, PI, PD, PID
11-2
Sơ lược về bộ điều khiển PID (tiếp)
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-3
Ví dụ về hệ thống điều khiển robot hàn
Điều kiên ổn định
0 84K< <
Bộ đk I
Sơ lược về bộ điều khiển PID (tiếp)
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-4
Ví dụ về hệ thống điều khiển độ dày trong quá trình cán kim loại
Không có giá trị nào của K để hệ ổn định
Hệ ổn định với K > 0 
Bộ đk P
Bộ đk PD
Việc lựa chọn bộ điều khiển phụ thuộc vào mô hình toán học
của đối tượng và các yêu cầu chất lượng đặt ra cho hệ thống.
Sơ lược về bộ điều khiển PID (tiếp)
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-5
Bộ điều khiển tỷ lệ P 
( )c pG s K=
Tín hiệu điều khiển
u(t) tỉ lệ với giá trị tức
thời của sai lệch e(t)
Ưu điểm của luật tỷ lệ
Do tính tác động nhanh và tức
thời nên cải thiện được tốc độ
đáp ứng của hệ thống
Nhược điểm
• Không bảo đảm sai lệch e(t) tiến tới 0
• Hệ nhạy cảm hơn với ảnh hưởng của nhiễu đo
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-6
Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân PI
Ưu điểm của luật tích phân
Cho phép triệt tiêu
sai lệch tĩnh
Nhược điểm
• Bô đk thuần túy tích
phân đáp ứng chậm so với
sự thay đổi của e(t)
• Hệ kém ổn định hơn.
Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tích
lũy của sai lệch e(t)
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-7
Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân PI (tiếp)
1
( 1)p
G
s s
= +
Giảm Kpvà Ki sẽ
làm giảm dao động
và hệ ổn định hơn.
Thay đổi Kp và Ki
như sau
1 2 3( ) ( ) ( ) ,p p pK K K> >
1 2 3( ) ( ) ( ) .i i iK K K> >
Ví
dụ
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-8
Bộ điều khiển tỷ lệ-vi phân PD
Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ
với sự thay đổi của sai lệch
e(t)
Ưu điểm của luật vi phân
• Do đoán trước chiều
hướng và tốc độ thay đổi
của sai lệch và đưa ra
phản ứng thích hợp nên
làm tăng tốc độ đáp ứng
của hệ
• Hệ ổn định hơn
Nhược điểm Quá nhạy cảm với nhiễu đo
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-9
Ví
dụ
Tiêu chuẩn Nyquist (tiếp)Đồ thị Bode của khâu bất kỳ
1
( 1)p
G
s s
= +
Xét hai trường hợp
• Sử dụng bộ điều
khiển P
• Sử dụng bộ điều
khiển PD
Thành phần vi phân làm
giảm độ quá điều chỉnh
và giảm dao động.
Bộ điều khiển tỷ lệ-vi phân PD (tiếp)
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
11-10
trong đó và
Ưu điểm
Kết hợp được các ưu điểm
của bộ đk PI và PD
Bài toán thiết kế bộ đk PID
Xác định các tham số Kp, Ti, 
Td sao cho hệ thống đạt được
chất lượng mong muốn: t/g
tăng và t/g xác lâp ngắn, độ
quá điều chỉnh nhỏ, sai lệch
tĩnh bằng 0, 
Điểm không:
và1/s a=−
1/s b=−
Điểm cực: 
0s=
Tiêu chuẩn Nyquist (tiếp)Đồ thị Bode của khâu bất kỳBộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-v hân PID
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
Bộ điều khiển PID (tiếp)
Ảnh hưởng của từng tham số PID tới chất lượng điều khiển
Chỉ tiêu chất lượng
Thay đổi tham số
Tăng Kp Giảm Ti Tăng Td
Thời gian đáp ứng
Độ quá điều chỉnh
Thời gian quá độ
Hệ số tắt dần
Sai lệch tĩnh
Tín hiệu điều khiển
Độ dự trữ ổn định
Bền vững với nhiễu đo
giảm
thay đổi ít
tăng
thay đổi ít
giảm
tăng
giảm
giảm
giảm ít
giảm
tăng
tăng
tăng
giảm
thay đổi íttriệt tiêu
giảm ít
giảm ít
giảm
giảm
thay đổi ít
tăng
tăng
giảm
11-11
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
Bộ điều khiển PID (tiếp)
Biểu đồ lựa chọn các thành phần của bộ điều khiển PID
Có cần thiết sai lệch tĩnh đối với
tín hiệu vào bước nhảy bằng 0?
Không
Tín hiệu phản hồi về chịu nhiều
ảnh hưởng của nhiễu đo?
Có
Có yêu cầu độ quá điều chỉnh
nhỏ với thời gian xác lập ngắn?
Có Không
Không
Chọn bộ đk PI Chọn bộ đk PID Chọn bộ đk P
Có
11-12
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
Hiện thực hóa bộ điều khiển PID
11-13
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện
Hiện thực hóa bộ điều khiển PID (tiếp)
11-14
Lý thuyết ĐKTĐ 1 Bộ môn ĐKTĐ-Khoa Điện