Được rồi, bạn đang hỏi một câu hỏi khá phức tạp và tôi sẽ cố gắng trả lời tốt nhất có thể. Tôi là sinh viên năm cuối ngành Kỹ thuật điện và đã tập trung vào các hệ thống điều khiển. Tôi không biết tất cả mọi thứ nhưng tôi có thể cho bạn biết kinh nghiệm của tôi khi cố gắng trả lời chính xác câu hỏi này trong các nghiên cứu của tôi.
TL; DR: Tôi không biết làm thế nào một phương trình hoặc phương pháp lấy nhà máy và các ràng buộc được đưa ra và tạo ra bộ điều khiển PID. Tuy nhiên, tôi không nghĩ rằng các công cụ bạn đề cập sẽ giúp quá nhiều và tôi giải thích những gì tôi sẽ làm với tình huống của bạn.
Nơi bạn ở:
Các nghiên cứu bạn đã thực hiện cho đến nay dường như là tiêu chuẩn cho một khóa học giới thiệu về kiểm soát ở cấp đại học. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển này được nhóm lại và được gọi là "Điều khiển cổ điển". Những phương pháp này được sử dụng chủ yếu là trước chiến tranh lạnh và có ưu điểm là đòi hỏi rất ít tính toán và phân tích toán học rất ít. Mặc dù hữu ích, chúng hạn chế nghiêm ngặt số lượng bộ điều khiển bạn có thể tạo. Ví dụ, biểu đồ quỹ tích gốc hiển thị cho bạn các dòng nơi các cực và số không có thể di chuyển nếu bạn thay đổi mức tăng nhưng bạn bị giới hạn ở các dòng này. Tôi không phải là chuyên gia về các phương pháp này (vì tôi hiếm khi sử dụng chúng) vì vậy tôi không thể nói rõ khi nào nên sử dụng chúng và khi nào không. Từ những gì tôi đã nghe, các phương pháp này vẫn được sử dụng khá nhiều cho đến gần đây vì chúng nhanh hơn các phương pháp tiên tiến hơn và sẽ hoạt động tốt đối với các vấn đề điều khiển đơn giản. Đây là những phương pháp kiểm soát đảo sa mạc của bạn - dễ thực hiện và có thể được thực hiện bằng tay, khiến chúng trở nên hoàn hảo cho một lớp học đại học nơi bạn muốn có nhiều tài liệu để kiểm tra sinh viên.
"Đúng":
Tùy chọn 1
Vì vậy, thiết kế bộ điều khiển đúng cách rất khó vì có sự đánh đổi trong thiết kế, chẳng hạn như tốc độ và sự ổn định. Tôi giả sử bạn có nghĩa là bạn có thể thực hiện các ràng buộc bạn đã liệt kê và biến chúng thành một bộ điều khiển đáp ứng chúng.
Bất kỳ phương pháp nào được đề cập ở trên đều có thể được sử dụng để tạo bộ điều khiển và được thử nghiệm trong mô phỏng hoặc phân tích để xác định các đặc điểm phản hồi nhưng điều đó không nhất thiết dễ dàng và cách cải thiện hiệu suất có thể không trực quan (tôi đang xem xét sơ đồ Nyquist của bạn) .
Làm thế nào tôi sẽ làm điều đó:
Tôi là một sinh viên và vì vậy có quyền truy cập vào phiên bản giáo dục của Matlab. Nếu ai đó yêu cầu tôi thiết kế bộ điều khiển, như ví dụ của bạn, tôi sẽ kích hoạt Matlab và sử dụng mã sau đây.
EDU>> s=tf('s');
EDU>> sys=1/((1+650*s)*(1+4500*s))
pidtool(sys)
và kết quả, hộp đẹp bên dưới hiển thị tất cả các tham số tôi cần với thanh trượt cho phép tôi điều chỉnh các đặc điểm.
Ngoài ra còn có các tùy chọn để hiển thị nỗ lực của bộ điều khiển và âm mưu bode của hệ thống. Tôi mất khoảng 15 phút để điều chỉnh nó để đáp ứng thông số kỹ thuật của bạn, nhưng chỉ vì thông số kỹ thuật của bạn khá tích cực. (Tôi đã gian lận để cho nỗ lực kiểm soát lên 1.01 trong một thời gian để dừng quá mức).
Hoặc bạn chỉ có thể mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID được thêm vào và điều chỉnh các tham số trong mô phỏng thay vì trực tuyến.
Tùy chọn 2
Bây giờ nếu tôi cần một bộ điều khiển tiên tiến hơn, một bộ điều khiển có nhiều đầu vào và đầu ra hoặc với bộ điều khiển bậc cao hơn, tôi sẽ sử dụng cái gọi là Không gian trạng thái hoặc "Lý thuyết điều khiển hiện đại" mà tôi tin rằng đã xảy ra trong chiến tranh lạnh khi chúng ta bắt đầu dịch các bài báo toán học tiếng Nga. Tôi sẽ khuyên bạn nên xem xét vì nó cho phép nhiều tùy chọn hơn và nếu tôi thiết kế bộ điều khiển một cách phân tích, đây là những gì tôi sẽ sử dụng. Không giống như các phương thức Cổ điển, nó có các thuật toán để đặt các cực của hàm vào các vị trí chính xác cho phép hầu hết các ràng buộc mà bạn đã đề cập được tính trực tiếp.
Điều đó nói rằng, các thuật toán được sử dụng để tính toán các giá trị này vẫn còn khá khó khăn. MATLAB có chỗhàm tạo ma trận khuếch đại có thể được kết hợp với ma trận đầu vào để buộc đáp ứng thời gian đáp ứng mong muốn và giải quyết thời gian. Tuy nhiên, điều này không đề cập đến nỗ lực của bộ điều khiển, điều này sẽ hạn chế mức độ bạn đặt cực của bạn. Một ví dụ điển hình của một hệ thống đặt hàng tương tự có trong trang web dưới đây có nhiều ví dụ và trình diễn khác nhau về cách sử dụng các phương pháp thiết kế không gian cổ điển và trạng thái. Đây là một trang web thực sự tốt với các giải thích và nhiều ví dụ khác nhau nếu bạn có thể vượt qua thực tế là họ sử dụng MATLAB cho tất cả các phép toán.
http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=MotorSpeed§ion=ControlStateSpace
một số cách đọc bổ sung về vị trí cực
http://www.phoneoxim.org/uploads/media/EECE460_PolePlocation.pdf (trong đó đề cập rõ ràng đến kiểm soát PID)
http://nptel.ac.in/cifts/101108047/module9/Lecture%2021. pdf
http://ocw.mit.edu/cifts/aeronautics-and-astronautics/16-30-feedback-control-systems-fall-2010/lecture-notes/MIT16_30F10_lec12.pdf
Sự giới thiệu:
1.) Nếu bạn định thiết kế hệ thống điều khiển một cách chuyên nghiệp, tôi sẽ nói cho bạn biết những gì các giáo sư của tôi đã nói với tôi. Bạn cần matlab. Có thể có những phần mềm khác có thể làm những việc tương tự nhưng matlab có một bộ công cụ rất đầy đủ trong hộp công cụ hệ thống điều khiển của họ và một số hướng dẫn tốt đang trôi nổi về phần tốt nhất của nó và bạn không phải lo lắng về toán học ở tất cả.
2.) Nếu đây là một thứ ít quan trọng hơn thì có thể tìm ai đó có thể thực hiện thiết kế cho bạn thật nhanh trong matlab hoặc thử gói phần mềm miễn phí. Tôi biết scilab có một số hộp công cụ điều khiển có thể đáng để xem xét.
3.) Thiết kế bằng tay rất khó. Đặc biệt với số lượng ràng buộc bạn có. Tôi sẽ sử dụng vị trí cực để phân tích thời gian giải quyết và yêu cầu vượt quá. Lỗi trạng thái ổn định hầu như luôn luôn được chuyển đến không. Tôi sẽ xác định giai đoạn và đạt được lợi nhuận sau khi thực tế và hy vọng nó không quá nhỏ. Đối với nỗ lực của bộ điều khiển, tôi đã thấy rất nhiều ví dụ về các vấn đề điều khiển tối ưu đang cố gắng giảm thiểu nỗ lực điều khiển, thường sử dụng bộ điều khiển Quadratic tuyến tính nhưng điều này mang tính toán học hơn. Các slide của Tiến sĩ Radhakant Padhi có một số quy tắc tốt cho vị trí cực nhưng chúng không đảm bảo.