Phòng thí nghiệm Cân bằng Bộ điều khiển PID

Phòng thí nghiệm Cân bằng Bộ điều khiển PID giúp học sinh trải nghiệm trực tiếp điều khiển phản hồi vòng kín. Quả bóng kim loại lăn dọc theo thanh dầm nghiêng được điều khiển bởi động cơ đẩy ở hai đầu trong khi biểu đồ cuộn thời gian thực vẽ điểm đặt mục tiêu r(t) (xanh lá) so với vị trí thực tế của quả bóng x(t) (vàng). Bộ điều khiển liên tục đo lường sai số vị trí e(t) = r − x(t) và tính toán lệnh động cơ đẩy u(t) = Kp·e + Ki∫e dt + Kd(de/dt). Bằng cách kéo vòng điểm đặt dọc theo thanh dầm hoặc tác động vào quả bóng, người học khám phá lý do tại sao điều khiển tỷ lệ thuần túy dao động liên tục, cách hệ số vi phân Kd đóng vai trò là phanh dự đoán để giảm chấn quá điều chỉnh, và cách hệ số tích phân Ki loại bỏ độ lệch trạng thái dừng.

• Đặt Ki = 0 và Kd = 0 trong khi giữ Kp = 6, sau đó kéo vòng điểm đặt màu xanh lá và quan sát quả bóng dao động qua lại mà không giảm chấn.
• Tăng hệ số vi phân Kd lên 4.0 và quan sát cách bộ điều khiển phanh độ nghiêng thanh dầm trước khi quả bóng vượt qua điểm đặt, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng quá điều chỉnh.
• Đặt Ki = 0 với Kp = 4 và Kd = 3.5 và chú ý đến số đọc Độ lệch trạng thái dừng nhỏ do sai số lệch trọng lực, sau đó tăng Ki lên 1.0 để đưa sai số về 0.00 m.
• Nhấp vào quả bóng hoặc nhấn Cú hích nhiễu loạn để áp dụng một xung vận tốc đột ngột và kiểm tra tốc độ phục hồi của vòng lặp PID đã tinh chỉnh.
• Kéo vòng mục tiêu màu xanh lá nhanh chóng giữa hai đầu trái và phải của thanh dầm để kiểm tra thời gian lên của phản hồi bậc thang và độ quá điều chỉnh đỉnh.

1. 1Xác định sai số vị trí e(t) = r(t) − x(t) trong hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín.
2. 2Giải thích vai trò vật lý của từng thành phần PID: Độ cứng tỷ lệ (Kp), Loại bỏ độ lệch tích phân (Ki), và Giảm chấn vi phân (Kd).
3. 3Phân tích các chỉ số phản hồi bậc thang bao gồm thời gian lên, tỷ lệ quá điều chỉnh đỉnh, thời gian thiết lập và sai số trạng thái dừng.
4. 4Tinh chỉnh bộ điều khiển PID ba thành phần để đạt được sự ổn định nhanh chóng, tắt dần tới hạn sau một nhiễu loạn bên ngoài.

Câu hỏi giáo viên thường đặt ra