Thiết kế bộ điều khiển hệ thống UPS với lọc LC đầu ra

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN

ĐỒ ÁN II
Đề tài:
Thiết kế bộ điều khiển hệ thống UPS với lọc LC đầu ra

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

HÀ NỘI,


MỤC LỤC

2


LỜI MỞ ĐẦU
Sự ra đời, phát triển nhanh và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện tử,
đặc biệt là vi xử lý đã tạo ra sự thay đổi sâu sắc và phát triển mạnh mẽ trong các
thiết bị, hệ thống thiết bị điện - điện tử. Nhằm đảm bảo tính liên tục và chất lượng
cung cấp điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ thuộc trạng thái hệ thống
cung cấp, phương pháp duy nhất là sử dụng bộ nguồn dự trữ làm việc tin cậy.
Hơn nữa, hiện nay năng lượng ngày càng cạn kiệt, nên nhiều nguồn năng
lượng mới đã và đang được chú ý, sử dụng nhiều hơn như: năng lượng mặt trời,
năng lượng gió,... Các nguồn năng lượng có thể nói là vơ tận này sẽ giúp tạo ra
nguồn điện năng lớn nếu được sử dụng tốt, giảm đáng kể gánh nặng cho thủy điện
và nhiệt điện hiện nay đang phải gánh vác.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên em đã quyết định chọn đề tài nghiên

cứu là:“Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thong UPS có lọc LC đầu ra”.
Em đã cố gắng nghiên cứu và thiết kế dưới sự hướng dẫn tận tình của cơ
Vũ Thị Thúy Nga. Tuy nhiên, do sự hạn chế về nhiều mặt nên có thể đồ án này cịn
nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cơ để đề tài này
hồn thiện hơn!
Em xin chân thành cảm ơn!

3


Chương 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Giới thiệu chung về UPS
UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supplier
được hiểu như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản hơn là bộ lưu trữ
điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống.
1.1.1 Cấu trúc chung :
•
•
•
•
•

Nguồn dự phịng (Acquy hoặc máy phát)
Một bộ chỉnh lưu
Mạch lọc cho khâu chỉnh lưu
Mạch nghịch lưu
Mạch điều khiển hoạt động cho các van.
1.1.2 Giải pháp dùng UPS :
Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện:

•
•
•

An tồn cho người
An tồn cho thiết bị nhà xưởng
Mục tiêu vận hành kinh tế.
Ta cần phải tìm cách loại bỏ tất cả các sự cố. Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác
nhau cho vấn đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu
chuẩn sau để đánh giá:

•
•

Cung cấp điện liên tục
Chất lượng điện cung cấp
Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy
cảm, UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, khơng
phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp.
UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy:

•
•
•

•

Khơng bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệ
thống cung cấp ngừng hoạt động.
Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện nhạy cảm.

UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâu
trung gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh.

4


1.2 Phân loại UPS :
1.2.1 Phân biệt theo chế độ làm việc
a. UPS offline :

Hình 1.1 Cấu trúc bộ UPS offline
•
•
•

•
•

Nghịch lưu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phịng tình
trạng khẩn cấp.
Trong q trình vận hành, nguồn lưới được cung cấp trực tiếp đến tải mà không
qua nghịch lưu.
Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc điện áp hệ thống cung cấp điện khơng
nằm trong sai số cho phép thì tải chuyển từ hệ thống cung cấp điện qua nghịch lưu
trong thời gian ngắn <10 ms. Khi điện áp hệ thống cung cấp được phục hồi,tải sẽ
tự động chuyển về hệ thống cung cấp.
Dùng với tải P <2 KVA.
Thời gian chuyển mạch phù hợp với tải nhạy cảm

5

Nhược điểm:
•

•

Thời gian chuyển mạch từ khi sự cố điện lưới cho đến khi nguồn pin cung cấp
cho thiết bị tiêu thụ. Công tắc ngắt điện khỏi nguồn lưới để chuyển sang dùng điện
từ pin phải đảm bảo khi ngắt hoàn toàn ra khỏi lưới điện mới được phép cung cấp
điện từ bộ inverter bởi nếu khơng dịng điện cung cấp từ pin sẽ phải cấp cho cả
lưới điện địa phương - và cũng như máy phát điện, hệ thống sẽ hư hỏng vì q tải.
UPS offline khơng có cơng dụng ổn áp khi chúng sử dụng điện lưới bình thường
- bởi đơn giản khi khơng có sự cố về lưới điện thì các thiết bị phía sau UPS đơn
thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le.
b. UPS online

Hình 1.2: Cấu trúc UPS online

•

•
•

Được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải. Toàn bộ điện năng cung cấp cho
tải đều phải qua nghịch lưu do vậy việc cung cấp điện được liên tục trong phạm vi
sai số cho phép của f, U.
Không phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống cung cấp điện.
Áp dụng cho tải có cơng suất trung bình P 40 KVA.
1.2.2 Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi

6


Hình 1.3: Cấu trúc UPS tĩnh
a.
•
•
•
•
•

b.

UPS tĩnh: Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện cung cấp năng lượng.
Giới hạn dòng trong vận hành cho phép Icp=2.33Iđm.
Cách li về điện.
Bảo dưỡng và vận hành đơn giản, làm việc tin cậy cậy chắc chắn.
Khả năng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thống cung
cấp, sử dụng thiết bị điều khiển vi xử lí dựa trên kĩ thật số.
Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi sai số 0.5% 1%, thời gian điều chỉnh
nhanh, kích thước và trọng lượng của hệ nhỏ.
UPS quay

Hình 1.4: Cấu trúc UPS quay
7


•
•

•

Trong đó: M: Động cơ
G: Máy phát
FL: Flywheel (Bánh đà)
Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lựợng.
Một bộ UPS quay hoạt động nhờ vào quán tính cao của bánh đà khối lượng lớn
(Flywheel energy storage) để cung cấp năng lượng trong trường hợp có sự cố điện
ngắn hạn. Bánh đà hoạt động như 1 bộ đệm chống lại sự tăng hay giảm đột ngột
của nguồn cung cấp vì những sự cố ngắn hạn đó khơng thể ảnh hưởng đáng kể đến
tốc độ quay của bánh đà khối lượng lớn. Đây là 1 trong những dạng thiết kế cổ
điển nhất trong lịch sử ngành điện
Có thể coi UPS quay là một bộ UPS online vì nó hoạt động cả trong điều kiện
bình thường. Tuy nhiên, nó chỉ bảo vệ hệ thống tải trong khoảng thời gian từ 10
đến 20 giây trước khi bánh đà quay chậm xuống dưới mức cho phép và đầu ra bị
ngắt.
Một hệ thống UPS quay tiêu biểu bao gồm các thành phần sau:
1 động cơ kéo 1 máy phát điện đồng bộ (Máy phát và động cơ được lien kết về
mặt cơ khí nhờ hệ thống li hợp, đai truyền .v.v.)
Trục quay máy phát được gắn với 1 bánh đà khối lượng lớn.
Khi hệ thống xảy ra sự cố ngắn hạn, động cơ bị ngắt điện. Bánh đà tiếp tục quay
(do quán tính lớn), do đó tiếp tục kéo máy phát và cung cấp điện cho đầu ra.
1.2.3 Sơ đồ nguyên lí chung của UPS :

Hình 1.5: Sơ đồ ngun lí chung của UPS
CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lưu và nạp thường trực cho acquy
AQ: Tạo năng lượng dự trữ cung cấp cho nghịch lưu khi xảy ra:
8

- Ngừng hoạt động hệ thống cung cấp.
- Hệ thống cung cấp có sự cố hoặc chất lượng hệ thống cung cấp không nằm
trong giới hạn cho phép.
NL: Chuyển đổi DC AC với sai số cho phép chặt chẽ, chắc chắn hơn hệ thống
chính
ĐK: Bao gồm cả hệ thống phản hồi ,điều khiển hoạt động của CL, NL và quá
trình phóng nạp AQ, ổn định cung cấp điện theo yêu cầu.
1.3.Ứng dụng của UPS trong thực tế :
Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân
hàng, y tế, hàng không là rất lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số
lượng máy tính đang được sử dụng. Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử
dụng
UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và tồn bộ thiết bị ở một trạng
thái nào đều là rất quan trọng và không cho phép được mất điện. UPS được sử
dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng
sân bay.
Ứng dụng chính
1. Hệ thống máy tính nói chung
2. Hệ thống máy tính cơng nghiệp
3. Viễn thông
4. Y tế, công nghiệp
5. Chiếu sáng
6. Các ứng dụng khác

Thiết bị được bảo vệ
- Máy tính, mạng máy tính
- Máy in, hệ thống vẽ đồ thị và các
thiết bị đầu cuối.
Bộ điều khiển lập trình, hệ thống điều
khiển số, điều khiển giám sát, máy tự

động
Tổng đài điện thoại, hệ thống truyền
dữ liệu, hệ thống rađa
Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị đo
nhiệt độ, thiết bị điều khiển chính xác
Đường hầm, đường băng sân bay, nhà
cơng cộng...
Máy qt hình, cung cấp năng lượng
cho máy bay...

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phịng, nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi,
những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.

9


Chương 2: THIẾT KẾ, TÍNH TỐN THƠNG SỐ MẠCH LỌC ĐẦU RA
2.1. Các loại bộ lọc thông thấp
Trong sơ đồ bộ lọc ba pha ta có hai loại bộ lọc là bộ lọc RC và bộ lọc
LC. Trong cả hai loại bộ lọc đều có tụ điện, tụ điện có thể mắc hình tam giác hoặc
hình sao, mỗi kiểu mắc đều có những ưu nhược điểm riêng. Khi mắc tụ điện hình
tam giác có ưu điểm là tiết kiệm dung lượng tụ xong khơng loại trừ hết được sóng
hài điện áp dây. Bộ tụ đấu hình sao dung lượng tụ tăng lên ba lần nhưng đổi lại ta
loại được sóng hài cả điện áp pha và điện áp dây, và đặc biệt khi tụ đấu hình sao có
trung tính thì có thể loại ln cả điện áp thứ tự khơng sinh ra khi chuyển mạch van
bán dẫn.
•

Bộ lọc RC
Bộ lọc RC là loại bộ lọc cổ điển và đơn giản nhất, việc bố trí linh kiện

của bộ lọc như hình vẽ (hình 2.1).

Hình 2.1: Mạch lọc RC ba pha
Mạch lọc RC có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, vận hành ổn định. Nhược
điểm chính là gây tổn hao trên điện trở, nhất là khi công suất lọc lớn, khả năng
chọn lọc tần số kém.
•

Bộ lọc LC
Kết cấu của bộ lọc LC bao gồm các linh kiện như hình vẽ (hình 2.2).

10


Hình 2.2 : Mạch lọc LC ba pha
Mạch lọc LC là mạch lọc có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc được nhiều
tần số theo ý muốn. Nhược điểm lớn nhất của mạch lọc là giá thành và sự vận
hành của mạch, sự vận hành của mạch kém tin cậy hơn mạch lọc RC do trong
mạch có cuộn cảm và đặc biệt là loại mạch lọc này gây nhiễu cho các thiết bị
thơng tin do có sự phát sinh sóng điện từ của cuộn cảm. Chỉ khi nào chỉ số lọc cao
ta mới sử dụng loại mạch lọc này.
Lựa chọn bộ lọc:
Yêu cầu chính của bộ lọc đầu ra của bộ nghịch lưu là khả năng lọc thành
phần hài bậc cao tốt, tổn hao nhỏ và khả năng đáp ứng dải tần số cao. Vì vậy ta
chọn bộ lọc LC cho đầu ra của nghịch lưu.
2.2.

Thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ nghịch lưu
Trong quá trình thiết kế ta lấy sóng hài bậc 37 làm chỉ tiêu thiết kế, các
sóng hài cịn lại được kiểm nghiệm qua các giá trị của bộ lọc.

Chỉ tiêu của bộ lọc là dịng điện thành phần sóng hài chiếm dưới 1%
thành phần cơ bản.
Giả sử trường hợp bộ nghịch lưu cung cấp điện cho tải điện trở, trường hợp tải
mang tính cảm thì ta có thêm bộ lọc thứ cấp sau bộ lọc sóng hài, khi đó ta có tỷ số:

Iout U o
=
= 1%
Iin
Ui
trong phương trình trên:
-

Iout : giá trị dịng điện sóng hài đi vào tải.
Iin : dịngđiện sóng hài đi vào bộ lọc
Uo : điện áp sóng hài qua bộ lọc
Ui : điện áp định mức của sóng cơ bản.
11


Để đơn giản ta qui đổi tính tốn ba pha về tính tốn một pha. Sau khi qui
đổi ta có mạch điện của bộ lọc trên một pha dùng để tính tốn bộ lọc như hình vẽ
(hình 2.3).

Hình 2.3 : Sơ đồ thay thế bộ lọc trên một pha
Hàm đặc tính vào ra của bộ lọc:

1
jω C

Uo
1
=
=
U i jω L + 1
1 − ω2 LC
j ωC
trong công thức trên:
-

Uo

: điện áp ra của bộ lọc

-

Ui

: điện áp vào của bộ lọc

-

ω

: tần số góc của sóng hài

Ta có:

U h U hf
1

=
=
U ih U ihf 1 − ω2 LC
trong đó:
-

Uhf: điện áp pha của sóng hài đầu ra

-

Uihf : điện áp pha của sóng hài đầu vào.
Tần số góc của sóng hài bậc 37: = 2. π .37.50 = 11623,89 rad/s
0, 01 =

Thay số ta có:

1
1 − ω2 LC

12


Giá trị của tụ điện được chế tạo thông thường phần lẻ là 0,25 nên ta chọn tụ điện
C=50µF. Khi đó điện cảm cuộn dây có giá trị:

LC = 0, 7475.10−6

Vậy giá trị của các linh kiện trong bộ lọc là: C = 50 µF, L = 14.95 mH

Chương 3: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG UPS

3.1. Mơ hình hóa hệ thống với tụ lọc hình sao

•

Phương trình khối tụ Cf:
(1-1)

•

Phương trình khối cuộn cảm Lf:

(1-2)
Đặt :

13


Thế lên (1-1) và ( 1-2 ) ta thu được hệ :

3.2. Chuyển hệ tọa độ

Hình 3.2: Đồ thị mơ tả cách chuyển hệ tọa độ
3.2.1. Chuyển hệ tọa độ từ abc sang αβ

Ta có:

14


3.2.2. Chuyển từ hệ tọa độ dq sang αβ

với : ϑ=ωt
Suy ra:
Chuyển hệ tọa độ từ αβ sang dq:
Suy ra:
3.2.3. Chuyển mơ hình hệ thống từ abc sang αβ
Nhân cả 2 vế của hệ với ma trận T :
Ta được mơ hình hệ thống trong hệ tọa độ αβ :
3.2.4. Chuyển mơ hình hệ thống sang hệ tọa độ dq
Ta được mơ hình hệ thống rong hệ tọa độ dq :
Xác định biến cần điều khiển, biến điều khiển, nhiễu :
-

Biến cần điều khiển : là điện áp trên tải
Biến điều khiển : là điện áp ra của inverter (nghịch lưu )
Nhiễu : là dịng tải
Hệ có dạng :

Với :

15


Chương 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Xác định hàm truyền của hệ thống

4.1.

Bỏ qua thành phần nhiễu E.d(t) thì ta có hàm truyền
Ta có :



Theo tính tốn ở chương 2 ta có

LC = 0, 7475.10−6

,


4.2.
4.2.1.

Lựa chọn bộ điều khiển PID
Tổng quan bộ điều khiển PID

Hình 4.1 : Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

16


Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID-Proportional Integral
Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được
sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID
được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều
khiển PID tính tốn một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến
đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng
cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp khơng có kiến thức
cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt
được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính tốn phải điều
chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các
thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Giải thuật tính tốn bộ điều khiển PID bao gồm 3 thơng số riêng biệt, do đó đơi
khi nó cịn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm,
viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích
phânxác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác
động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh
q trình thơng qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ
nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về
quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai
số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.
Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều
khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều
khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ
điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lưu ý là công dụng
của giải thuật PID trong điều khiển khơng đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ
thống.
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống.
Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về
0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng
mặt các tác động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân
khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể
khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.

17


4.2.2.

Các phương pháp chọn tham số bộ điều khiển PID
Điều chỉnh một vịng điều khiển là điều chỉnh các thơng số điều khiển của nó
(độ lợi/dải tỉ lệ, độ lợi tích phân/reset, độ lợi vi phân/tốc độ) tới giá trị đáp ứng

điều khiển tối ưu. Độ ổn định (dao động biên) là một yêu cầu căn bản, nhưng
ngoài ra, các hệ thống khác nhau, có những hành vi khác nhau, những ứng dụng
khác nhau có những yêu cầu khác nhau, và vài yêu cầu lại mâu thuẫn với nhau.
Hơn nữa, vài q trình có một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làm
việc tốt ở điều kiện đầy tải sẽ khơng làm việc khi q trình khởi động từ khơng tải;
điều này có thể khắc phục bằng chương trình độ lợi (sử dụng các thơng số khác
nhau cho những khu vực hoạt động khác nhau). Các bộ điều khiển PID thường
cung cấp các điều khiển có thể chấp nhận được thậm chí khơng cần điều chỉnh,
nhưng kết quả nói chung có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh kỹ lưỡng, và
kết quả có thể khơng chấp nhận được nếu điều chỉnh kém.
Điều chỉnh PID là một bài tốn khó, ngay cả khi chỉ có 3 thơng số và về nguyên
tắc là dễ miêu tả, bởi vì nó phải thỏa mãn các tiêu chuẩn phức tạp nằm trong
những hạn chế của điều khiển PID. Vì vậy có nhiều phương pháp khác nhau để
điều chỉnh vòng lặp, và các kỹ thuật phức tạp hơn là đề tài cho nhiều phát minh
sáng chế.

•

Độ ổn định :Nếu các thơng số của bộ điều khiển PID (độ lợi của khâu tỉ lệ, tích
phân và vi phân) được chọn sai, đầu vào q trình điều khiển có thể mất ổn định,
vì các khác biệt đầu ra của nó, có hoặc khơng có dao động, và được giới hạn chỉ
bởi sự bảo hòa hoặc đứt gãy cơ khí. Sự khơng ổn định được gây ra bởi sự dư thừa
độ lợi, nhất là khi xuất hiện độ trễ lớn.
Nói chung, độ ổn định của đáp ứng (ngược với độ bất định) phải thỏa mãn và
q trình phải khơng được dao động vì bất kỳ sự kết hợp nào giữa các điều khiện
quá trình và điểm đặt, mặc dù đơi khi ổn định biên có thể được chấp nhận hoặc
u cầu.

•

Tối ưu hóa hành vi: Tối ưu hóa hành vi trong thay đổi q trình hoặc thay đổi
điểm đặt khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Hai yêu cầu cơ bản là ổn định (triệt
tiêu nhiễu-ổn định tại một điểm đặt cho trước) và tự hiệu chỉnh lệnh (thực hiện các
thay đổi điểm đặt)-hai yêu cầu đó tùy thuộc vào việc các biến điều khiển theo dõi
giá trị mong muốn có tốt hay khơng. Các tiêu chuẩn đặc biệt về tự hiệu chỉnh lệnh
bào gồm thời gian khởi động và thời gian xác lập. Một vài quá trình phải ngăn
18


khơng cho phép các biến q trình vọt lố q điểm đặt nếu, thí dụ, điều này có thể
mất an tồn. Các q trình khác phải tối thiểu hóa năng lượng tiêu hao khi tiến tới
một điểm đặt mới.
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Những phương
pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mơ hình xử lý,
sau đó chọn P, I, và D dựa trên các thông số của mơ hình động học. Các phương
pháp điều chỉnh thủ cơng tương đối khơng hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vịng lặp có
thời gian đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn.
Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay khơng
vịng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ
thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm
bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời
gian, sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển.

a.

Điều chỉnh thủ cơng
Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết
đặt giá trị đầu tiên của Ki và Kd bằng không. Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của
vòng điều khiển dao động, sau đó K p có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó
để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng K i đến giá trị

phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, K i quá lớn sẽ gây mất ổn định.
Cuối cùng, tăng Kd, nếu cần thiết, cho đến khi vịng điều khiển nhanh có thể chấp
nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, K d quá
lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố. Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID
thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống
không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vịng kín
giảm lố, thiết đặt một giá trị Kp nhỏ hơn một nửa giá trị Kp gây ra dao động.

19


b.

Phương pháp Ziegler–Nichols
Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp Ziegler–
Nichols, được đưa ra bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols vào những năm
1940. Giống phương pháp trên, độ lợi K i và Kd lúc đầu được gán bằng không. Độ
lợi P được tăng cho đến khi nó tiến tới độ lợi tới hạn, K u, ở đầu ra của vòng điều
khiển bắt đầu dao động. Ku và thời gian dao động Pu được dùng để gán độ lợi như
sau:

c.

Phần mềm điều chỉnh PID
Hầu hết các ứng dụng cơng nghiệp hiện đại khơng cịn điều chỉnh vịng điều
khiển sử dụng các phương pháp tính tốn thủ cơng như trên nữa. Thay vào đó,
phần mềm điều chỉnh PID và tối ưu hóa vịng lặp được dùng để đảm báo kết quả
chắc chắn. Những gói phần mềm này sẽ tập hợp dữ liệu, phát triển các mô hình xử
lý, và đề xuất phương pháp điều chỉnh tối ưu. Vài gói phần mềm thậm chí cịn có
thể phát triển việc điều chỉnh bằng cách thu thập dữ liệu từ các thay đổi tham

khảo.
Điều chỉnh PID bằng toán học tạo ra một xung trong hệ thống, và sau đó sử
dụng đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển để thiết kế các giá trị của vòng điều
khiển PID. Trong những vịng lặp có thời gian đáp ứng kéo dài nhiều phút, nên
chọn điều chỉnh bằng toán học, bởi vì việc thử sai thực tế có thể kéo dài nhiều
ngày để tìm điểm ổn định cho vịng lặp. Giá trị tối ưu thì khó tìm hơn. Vài bộ điều
khiển số cịn có chức năng tự điều chỉnh, trong đó những thay đổi rất nhỏ của điểm
đặt cũng được gửi tới quá trình, cho phép bộ điều khiển tự mình tính tốn giá trị
điều chỉnh tối ưu.Các dạng điều chỉnh khác cũng được dùng tùy theo tiêu chuẩn
đánh giá kết quả khác nhau. Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào
trong các module phần mềm và phần cứng để điều chỉnh PID.
4.3.

Sử dụng Matlab tìm tham số bộ điều khiển

Trong đồ án này, em tìm tham số bộ điều khiển bằng phần mềm Matlab
( Simulink ) sử dụng trực tiếp khối PID Controller của Simulink:
20


Hình4.2: Sơ đồ khối hệ thống trong Simulink
a.

Sử dụng bộ điều khiển P:

Hình 4.3: Đáp ứng bước nhảy khi sử dụng bộ điều khiển P

21

Hình 4.4: Tín hiệu điện áp ra khi sử dụng bộ điều khiển P
Nhận xét : Điện áp đầu ra khơng bám theo điện áp hình sin chuẩn, độ q điều
chỉnh 64.4% tương đối lớn, thời gian đáp ứng chậm . Vậy nên chưa thích hợp cho
hệ thống.

22


b.

Sử dụng bộ điều khiển PI

Hình 4.5: Đáp ứng bước nhảy khi sử dụng bộ điều khiển PI

23


Hình 4.6: Tín hiệu điện áp ra khi sử dụng bộ điều khiển PI
Nhận xét : Tuy độ quá điều chỉnh nhỏ nhưng thời gian đáp ứng chậm và tín
hiệu đầu ra điện áp méo và hồn tồn khơng bám theo giá trị điện áp sin chuẩn.
Vậy nên chưa phù hợp với hệ thống

24


c.

Sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 4.7: Đáp ứng bước nhảy khi sử dụng bộ điều khiển PID

25