Chương 1: TỔNG QUAN VỀ AVR Một nguồn điện có chất lượng cao là nguồn điện có các thông số kỹ thuật được ổn định và có tính liên tục. Các thông số kỹ thuật đặc trưng của nguồn điện xoay chiều công nghiệp là điện áp và tần số, trong đó điện áp là quan trọng nhất. Lưới điện công nghiệp do bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn phát điện (thủy điện, nhiệt điện hay diesel…), phụ tải thay đổi, tính chất của phụ tải, chiều dài dây dẫn… nên thường lưới điện công nghiệp có điện áp không ổn định. Điều này ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của thiết bị công nghiệp, tuổi thọ của thiết bị điện – điện tử và nhiều trường hợp ảnh hưởng đền chất lượng sản phẩm của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp.
Để có nguồn điện công nghiệp với điện áp ổn định, người ta dùng mạch AVR làm nhiệm vụ ổn định điện áp tự động. Trong những năm gần đây, điều khiển máy điện có bước phát triển nhảy vọt. Đó là kết quả của việc tăng công suất và các tính năng của linh kiện điện tử công suất cùng với việc phát triển và hoàn thiện các cơ cấu điều khiển số có lập trình của các bộ vi xử lý, vi điều khiển. Truyền động điện thông minh dựa trên kỹ thuật điều khiển số cho phép tạo nên hệ thống truyền động điện công nghiệp chắc chắn, tin cậy, hiệu suất cao, dải điều khiển rộng, đảm bảo các chức năng bảo vệ.
Những hạn chế của kỹ thuật tương tự như sự trôi thông số, sự làm việc ổn định dài hạn, những khó khăn của việc thực hiện các chức năng điều khiển phức tạp đã thúc đẩy việc chuyển nhanh sang công nghệ số trong những năm 70. Sự xuất hiện và hoàn thiện của các bộ vi xử lý mạnh những năm 80 cho phép thực hiện điều khiển vectơ, tạo nên hệ truyền động xoay chiều có chất lượng cao. Kỹ thuật số cũng cho phép tạo nên các thuật toán điều khiển phức tạp mà kỹ thuật tương tự không cho phép. Ngoài ra, kỹ thuật số còn có những ưu thế quyết định về mặt công nghệ, cùng một cơ cấu điều khiển số có thể đóng vai tró giao diện với người vận hành, thực hiện các chức năng chạy, dừng, đổi chiều, dự báo, tư vấn… Mọi chức năng phức tạp của truyền động điện đều có thể giải quyết được bằng các cơ cấu điều khiển số.
Điều khiển số còn cho phép tiết kiệm linh kiện phần cứng, cùng với một bộ vi xử lý, một cấu trúc phần cứng có thể dùng cho các ứng dụng khác bằng cách thay đổi nội dung bộ nhớ. Bộ AVR bằng phương pháp số hoạt động bằng cách lấy điện áp mẫu từ máy phát điện sau đó đưa vào bộ xử lý tín hiệu số thong qua bộ đổi tương tự - số, bộ xử lý tín hiệu số ở đây được thực hiện bằng vi điều khiển 89S52 sẽ lấy điện áp mẫu so sánh với điện áp đặt, điện áp sai là điện áp chênh lệch được đưa vào phương trình sai phân để tiến hành lặp cho đến khi điện áp sai bằng không, tín hiệu điều khiển là nghiệm của phương trình sai phân được đựa vào bộ chỉnh lưu có điều khiển thông qua bộ đổi số - tương tự để kích từ máy phát điện, ổn áp điện áp của máy phát. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy phát điện Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN PID TƯƠNG TỰ VÀ SỐ Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID - Proportional Integral Differential) 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 toán 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 không 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 toán 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 toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và vi phân, viết tắt là P, I, và D.
Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác 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 quá trình thông 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 không 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. Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 2. Cơ bản về vòng điều khiển Một ví dụ quen thuộc của vòng điều khiển là hành động điều chỉnh vòi nước nóng và lạnh để duy trì nhiệt độ nước mong muốn ở đầu vòi nước.
Thường ta phải trộn hai dòng nước, nóng và lạnh lại với nhau. Và chạm vào nước để cảm nhận hoặc ước lượng nhiệt độ của nó. Dựa trên phản hồi này, ta đi điều chỉnh van nóng và van lạnh cho đến khi nhiệt độ ổn định ở giá trị mong muốn. Giá trị cảm biến nhiệt độ nước là giá trị tương tự (analog), dùng để đo lường giá trị xử lý hoặc biến quá trình (PV).
Nhiệt độ mong muốn được gọi là điểm đặt (SP). Đầu vào chu trình (vị trí van nước) được gọi là biến điều khiển (MV). Hiệu số giữa nhiệt độ đo và điểm đặt được gọi là sai số (e), dùng để lượng hóa được khi nào thì nước quá nóng hay khi nào thì nước quá lạnh bằng giá trị. Sau khi đo lường nhiệt độ (PV), và sau đó tính toán sai số, bộ điều khiển sẽ quết định thời điểm thay đổi vị trí van (MV) và thay đổi bao nhiêu.
Khi bộ điều khiển mở van lần đầu, nó sẽ mở van nóng tí xíu nếu cần nước ấm, hoặc sẽ mở hết cỡ nếu cần nước rất nóng. Đây là một ví dụ của điều khiển tỉ lệ đơn giản. Trong trường hợp nước nóng không được cung cấp nhanh chóng, bộ điều khiển có thể tìm cách tăng tốc độ của chu trình lên bằng cách tăng độ mở của van nóng theo thời gian. Đây là một ví dụ của điều khiển tích phân.
Nếu chỉ sử dụng hai phương pháp điều khiển tỉ lệ và tích phân, trong vài hệ thống, nhiệt độ nước có thể dao động giữa nóng và lạnh, bởi vì bộ điều khiển điều chỉnh van quá nhanh và vọt lố hoặc bù lố so với điểm đặt. Để đạt được sự hội tụ tăng dần đến nhiệt độ mong muốn (SP), bộ điều khiển cần phải yêu cầu làm tắt dần dao động dự đoán trong tương lai. Điều này có thể thực hiện bởi phương pháp điều khiển vi phân. Giá trị thay đổi có thể quá lớn khi sai số tương ứng là nhỏ đối với bộ điều khiển có độ lợi lớn và sẽ dẫn đến vọt lố.
Nếu bộ điều khiển lặp lại nhiều lần việc thay đổi này sẽ dẫn đến thường xuyên xảy ra vọt lố, đầu ra sẽ dao động xung quanh điểm đặt, tăng hoặc giảm theo hình sin cố định. Nếu dao động tăng theo thời gian thì hệ thống sẽ không ổn định, còn nếu dao động giảm theo thời gian thì hệ thống đó ổn định. Nếu dao động duy trì tại một biên độ cố định thì hệ thống là ổn định biên độ. Con người không để xảy ra dao động như vậy bởi vì chúng ta là những "bộ" điều khiển thích nghi, biết rút kinh nghiệm; tuy nhiên, bộ điều khiển PID đơn giản không có khả năng học tập và phải được thiết đặt phù hợp.
Việc chọn độ lợi hợp lý để điều khiển hiệu quả được gọi là điều chỉnh bộ điều khiển. Nếu một bộ điều khiển bắt đầu từ một trạng thái ổn định tại điểm sai số bằng 0 (PV=SP), thì những thay đổi sau đó bởi bộ điều khiển sẽ phụ thuộc vào những thay đổi trong tín hiệu đầu vào đo được hoặc không đo được khác tác động vào quá trình điều khiển, và ảnh hưởng tới đầu ra PV. Các biến tác động vào quá trình khác với MV được gọi là nhiễu. Các bộ điều khiển thông thường được sử dụng để loại trừ nhiễu và/hoặc bổ sung những thay đổi điểm đặt.
Những thay đổi trong nhiệt độ nước cung cấp là do nhiễu trong quá trình điều khiển nhiệt độ ở vòi nước. Về lý thuyết, một bộ điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ một quá trình nào mà có một đầu ra đo được (PV), một giá trị lý tưởng biết trước cho đầu ra (SP) và một đầu vào chu trình (MV) sẽ tác động vào PV thích hợp. Các bộ điều khiển được sử dụng trong công nghiệp để điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy, tổng hợp hóa chất, tốc độ và các đại lượng khác có thể đo lường được.