ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - HOÀNG THỊ HẢI YẾN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI, ỨNG DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Chuyên nghành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái ngun – 2015 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Vỵ Phản biện 1: PGS.TS Võ Quang Lạp Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Kỹ thuật họp Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái nguyên vào ngày 18 tháng 01 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái nguyên - Thư viên Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Điều khiển q trình đóng vai trị quan trọng hàng đầu q trình sản xuất, định suất, chất lượng giá thành sản phẩm Một hệ thống điều khiển trình chứa đựng tồn giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành giám sát nhằm đảm bảo u cầu q trình cơng nghệ Trong thực tế điều khiển trình thường xem điều khiển thông số : nhiệt độ (t ) , áp suất (p), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH) chí điều khiển phản ứng…việc điều khiển đại lượng thường gặp khó khăn điều khiển q trình có số đặc điểm: - Thời gian chết trình: khoảng thời gian thay đổi tín hiệu đầu vào đến hệ thống điều khiển q trình đáp ứng tín hiệu Hiện tượng khơng phân biệt dạng tín hiệu dùng - Trễ q trình: q trình vốn khơng có khả nhận thải lượng cách liên tục Qua ta có trễ bậc bậc cao - Hệ số khuyếch đại trình: hệ số khuyếch đại trình xác định tỷ số thay đổi đầu thay đổi đầu vào - Nhiễu trình: thay đổi không mong muốn xẩy q trình, có xu hướng ảnh hưởng bất lợi đến giá trị biến điều khiển Do vấn đề điều khiển trình cần thiết, cần nghiên cứu Đối với phương pháp điều khiển kinh điển, cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID sử dụng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp.Trong nhiều báo cáo đưa số thống kê 90% toán điều khiển công nghiệp giải điều khiển PID Tuy nhiên với phương pháp điều khiển kinh điển ta phải biết xác tham số đối tượng mơ hình hóa tương đối chi tiết đối tượng trình làm việc, tham số đối tượng thay đổi hệ thống ổn định chất lượng điều khiển khơng cịn đáp ứng u cầu Vì vậy, việc nghiên cứu “Thiết kế điều khiển PID thích nghi, ứng dụng nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình” cần thiết cần tập trung nghiên cứu để đáp ứng tốt chất lượng điều khiển trình Luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan điều khiển trình Chương 2: Thiết kế PID điều khiển trình Chương 3: Thiết kế điều khiển PID thích nghi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 VAI TRỊ VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH 1.1.1 Khái niệm trình điều khiển trình - Quá trình Quá trình trình tự diễn biến vật lý, hóa học sinh học, vật chất, lượng thơng tin biến đổi, vận chuyển lưu trữ - Q trình cơng nghệ Q trình cơng nghệ q trình liên quan tới biến đổi, vận hành lưu trữ vật chất lượng, nằm dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất Một trình cơng nghệ đơn giản q trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp phức tạp tổ hợp lò phản ứng, tháp chưng luyện - Đặc điểm trình Đặc điểm trình thơng số đặc trưng cho q trình đại lượng biến thiên chậm, liên tục, có qn tính lớn diễn thời gian dài (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức…) Các q trình thường hệ phi tuyến có cấu trúc phức tạp, khó mơ hình hố có phần khơng thể mơ hình hố q trình làm việc tham số đặc trưng cho trình thay đổi hệ chịu nhiễu tác động - Điều khiển trình Điều khiển trình việc thu thập, xử lý thông tin để điều khiển, vận hành giám sát trình, nhằm đảm bảo chất lượng trình đáp ứng yêu cầu đặt trước 1.1.2 Vai trị điều khiển q trình cơng nghiệp Điều khiển q trình đóng vai trị quan trọng hàng đầu q trình sản xuất, định chất lượng, suất giá thành sản phẩm Mục đích hệ thống điều khiển q trình để hệ hoạt động mang tính logic tin cậy Trong thực tế trình diễn nhiều lĩnh vực khác kỹ thuật, xã hội, đời sống, quản lý … Con người điều khiển trình bằng nhiều quy luật khác tuỳ thuộc lĩnh vực Trong xã hội đời sống trình điều khiển bằng luật, quy định Trong sản xuất công nghiệp người ta điều khiển thiết bị điều khiển khí nén, thuỷ lực, điện tử … với quy luật điều khiển phù hợp PID, Điều khiển mờ, Điều khiển thích nghi … 1.1.3 Nhiệm vụ điều khiển q trình cơng nghiệp Điều khiển q trình thu thập, xử lý tín hiệu điều khiển thơng số q trình với nhiệm vụ : - Điều khiển biến vào trình cách hợp lý để biến trình thỏa mãn tiêu cho trước Các tiêu xác định từ yêu cầu công trình - Nâng cao chất lượng sản phẩm, suất sản xuất giảm giá thành sản phẩm 5 - Theo dõi giám sát chặt chẽ diễn biến trình tham số, trạng thái hoạt động thành phần hệ thống 1.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển trình Tùy theo yêu cầu trình cần điều khiển mức độ tự động hóa, hệ điều khiển q trình cơng nghệ đơn giản phức tạp, chúng dựa ba thành phần thiết bị đo, thiết bị chấp hành thiết bị điều khiển Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển trình hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển q trình Trong : X(t): tín hiệu vào hệ thống - cịn gọi tín hiệu đặt hay lượng chủ đạo để xác định điểm làm việc hệ thống U(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng qua cấu chấp hành Y(t): Tín hiệu đầu hệ thống, đại lượng điều chỉnh C(t): Tín hiệu phản hồi 1.2.2 Các phần tử hệ điều khiển trình 1.2.2.1 Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển hay điều khiển phận thực chức tạo tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào đối tượng, nhằm điều khiển lượng đối tượng thoả mãn theo yêu cầu Mặc dù thuật ngữ “thiết bị điều khiển” “bộ điều khiển” thực tế sử dụng với nghĩa tương đồng Tuy nhiên tùy theo nghĩa cảnh, điều khiển hiểu thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ điều khiển nhiệt độ), khối phần mềm cài đặt thiết bị điều khiển 1.2.2.2 Thiết bị đo Chức thiết bị đo cung cấp tín hiệu tỷ lệ theo nghĩa với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần phần tử cảm biến (sensor) cấu chuyển đổi đo (transducer) Hình 1.2 Cấu trúc thiết bị đo trình 1.2.2.3 Thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành phần tử nhận tín hiệu từ điều khiển thực tác động can thiệp tới biến điều khiển Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển gọi phần tử điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu công nghiệp van điều khiển, động cơ, máy bơm quạt gió Thơng qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển can thiệp vào diễn biến trình kỹ thuật Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cấu chấp hành hay cấu dẫn động phần tử điều khiển Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành lượng (cơ nhiệt), phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển Đầu điều khiển Thiết bị chấp hành Cơ cấu chấp hành Phần tử tác động Biến cần điều khiển Hình 1.3 Cấu trúc thiết bị chấp hành 1.3 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.3.1 Bộ điều khiển PID tương tự (PID kinh điển) Bộ điều khiển PID (proportional integral derivative controller) tương tự điều khiển sử dụng luật điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - vi phân (D) tín hiệu vào/ra điều khiển tín hiệu tương tự (analog) Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển làm việc tốt hệ thống có qn tính lớn hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp Bộ điều khiển PID tương tự sử dụng để điều khiển đối tượng SISO tính đơn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều khiển PID tương tự cầu trúc ghép song song ba điều khiển : điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - vi phân (D) 1.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ P Bộ điều chỉnh tỉ lệ thiết bị tạo tín hiệu điều khiển u P (t ) tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t) e(t) KP u(t) Hình 1.4 Sơ đồ khối điều chỉnh tỉ lệ e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch tín hiệu điều khiển) u(t) : tín hiệu ra, tác động lên đối tượng điều khiển 1.3.1.2 Bộ điều chỉnh tích phân I Bộ điều chỉnh tích phân tạo tín hiệu điều khiển u I (t ) tỉ lệ với tích phân tín hiệu sai lệch e(t) ∫ Phương trình vi phân : u I (t ) = K I e(t ) dt (1.1) e(t) u(t) ∫ KI Hình 1.5 Sơ đồ khối điều chỉnh tích phân e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch tín hiệu điều khiển) u(t) : tín hiệu ra, tác động lên đối tượng điều khiển 1.3.1.3 Bộ điều chỉnh vi phân D Bộ điều chỉnh vi phân tạo tín hiệu điều khiển u D (t ) tỉ lệ với vi phân tín hiệu sai lệc e(t) e(t) u(t) d/dt KD Hình 1.6 Sơ đồ khối điều chỉnh vi phân e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch tín hiệu điều khiển) u(t) : tín hiệu ra, tác động lên đối tượng điều khiển Phương trình vi phân : u D (t ) = K D de(t ) (1.2) dt 1.3.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI Trong thực tế khơng người ta dùng điều khiển I độc lập, vị kéo dài thời gian điều khiển hệ dễ ổn định Xuất phát từ quan điểm giảm bớt ảnh hưởng nhiễu loạn, tăng hệ số khuếch đại hệ thống vùng tần số thấp, giảm sai số chế độ xác lập khơng làm thay đổi đánh kể đặc tính miền tần số cao, người ta sử dụng điều khiển PI Quy luật PI kết hợp hai quy luật P I mô tả phương trình vi phân sau : t u (t ) = K P e(t ) + K I ∫ e(t )dt (1.3) 1.3.1.5 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID tương tự cầu trúc ghép song song ba khâu P, I, D, mô tả hình 1.8 Quan hệ vào/ra điều khiển PID mơ tả phương trình : t u (t ) = K P e(t ) + K I ∫ e(t ) dt + K D de(t ) (1.4) dt Hình 1.8 Sơ đồ khối điều khiển PID tương tự Hàm truyền đạt điều khiển PID : R( s ) = K U (s) = K P + I + K D s (1.5) E ( s) s Quy luật PID có ba tham số hiệu chỉnh Km, KI, KD Xét ảnh hưởng ba tham số ta thấy: - Khi KD = TI = ∞ quy luật PID trở thành quy luật P - Khi KD = quy luật PID trở thành quy luật PI - Khi TI = ∞ quy luật PID trở thành quy luật PD 1.3.2 Bộ điều khiển PID số Bộ điều khiển PID số, tín hiệu vào (biến cần điều khiển) tín hiệu xuất (đến cấu chấp hành) số hóa thân luật PID xử lý dựa tảng vi xử lý thực rời rạc, nhiên tốc độ lấy mẫu xử lý tín hiệu nhanh Hầu hết điều khiển công nghiệp xây dựng máy tính số, thuật tốn PID biểu diễn dạng phù hợp cho việc lập trình cài đặt Thuật toán PID số xây dựng cách gián đoạn thuật tốn PID liên tục Hình 1.9 Sơ đồ khối điều khiển PID số 1.3.3 Bộ điều khiển PID thích nghi Sơ đồ cấu trúc PID Thích nghi hình 1.10 Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID thích nghi Khối 1: Phần hệ điều khiển Khối 2: Phần điều khiển thích nghi Phần hệ gồm: - Tín hiệu vào hệ : u - Tín hiệu hệ : y - Thiết bị điều khiển ĐK - Đối tượng : S - Mạch phản hồi Phần điều khiển thích nghi gồm: - Khâu nhận dạng : I - Thiết bị tính tốn: TT - Cơ cấu thích nghi: A 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung chương tập trung giải số vấn đề liên quan đến nội dung luận văn định hướng cho nội dung cần giải để thực mục tiêu luận văn đề : nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình - Phân tích làm rõ vai trị quan trọng hệ điều khiển trình thực tế, đặc biệt sản xuất cơng nghiệp Tìm hiểu đặc điểm trình yêu cầu trình hệ thống điều khiển cần phải thoả mãn, làm sở cho việc lựa chọn hệ điều khiển sau - Tìm hiểu cấu trúc hệ điều khiển trình, nguyên lý làm việc, lượng vào, lượng q trình thơng số đặc trưng cho trình, phần tử hệ thống đề xuất hướng giải điều khiển q trình sản xuất cơng nghiệp - Phân tích phạm vi sử dụng điều khiển PID, PID số, PID thích nghi Chỉ ưu, nhược điểm điều khiển PID điều khiển trình hướng khắc phục nhược điểm Trên sở ưu nhược điểm điều khiển đặc điểm công nghệ trình cần điều khiển, lựa chọn giải pháp nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình cụ thể Đề xuất giải pháp ứng dụng vào nâng cao chất lượng điều khiển ổn định áp suất bao 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 2.1 LỰA CHỌN VÀ MƠ TẢ TỐN HỌC CHO QUÁ TRÌNH 2.1.1 Lựa chọn đối tượng điều khiển Trong q trình sản xuất cơng nghiệp, điều khiển q trình đóng vai trị quan trọng hàng đầu, định chất lượng, suất giá thành sản phẩm Đồng thời trình điều khiển tự động, hạn chế việc tham gia trực tiếp người vào trình điều khiển, cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động giảm thiểu ảnh hưởng xấu q trình cơng nghệ người mơi trường xung quanh Trong cơng nghiệp có nhiều trình cần điều khiển trình sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng, nhà máy sản xuất hoá chất, sản xuất linh kiện, thiết bị, sản xuất điện Để phù hợp với điều kiện cụ thể sở đào tạo lựa chọn mơ hình lị đối tượng để khảo sát trình cần điều khiển q trình ổn định áp suất lị Trong phịng thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp, có mơ hình vật lý q trình sử dụng để đánh giá chất lượng điều khiển thực nghiệm 2.1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bình bao Cấu trúc hệ thống điều khiển trình minh họa hình H 2.1: x(t) : lượng đặt xác định điểm làm việc trình điều khiển y(t) : lượng trình, xác định từ u cầu cơng nghệ QT : Q trình điều khiển CH : cấu chấp hành phần tử tác động trực tiếp vào biến cần điều khiển ĐK : thiết bị điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển TBĐ : Thiết bị đo làm nhiệm vụ xác định tín hiệu tỷ lệ với đại lượng cần đo Hình 2.1 : Sơ đồ khối vòng hệ thống điều khiển trình Để xác định tham số điều khiển, cần phải nhận dạng đối tượng điều khiển, cấu chấp hàng thiết bị đo 2.1.3 Mô tả tốn học cho đối tượng Mơ tả tốn học đối tượng đưa đối tượng dạng mơ hình tốn Mơ hình hình thức mơ tả khoa học đọng khía cạnh thiết yếu hệ thống thực, có sẵn cần phải xây dựng Một mơ hình phản ánh hệ thống thực từ góc nhìn phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng Mơ hình khơng giúp ta hiểu rõ giới thực, mà cho phép thực số nhiệm vụ phát triển mà không cần có mặt q trình hệ thống thiết bị thực Mơ hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đắn giải pháp thiết kế thuận tiện tốn kém, trước đưa giải pháp vào triển khai 11 2.1.4 Xây dựng hàm truyền cho thành phần hệ thống 2.1.4.1 Thiết bị đo a Cấu trúc Thiết bị đo q trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin diễn biến q trình kỹ thuật biến đổi thơng tin q trình thành tín hiệu chuẩn đầu (xác định giá trị tín hiệu đo chuẩn dòng điện, điện áp… ) Cấu trúc thiết bị đo trình minh họa hình Transmitter Thiết bị đo Sensor Đại lượng đo (PV,x) Bộ chuyển đổi đo chuẩn Cảm biến Chỉ báo Transducer Tín hiệu đo (PM,y) Indicator Hình 2.2: Cấu trúc thiết bị đo b Đặc tính động học Khi giá trị đại lượng đo thay đổi thay đổi chậm, tín hiệu đo phụ thuộc vào giá trị đầu vào ta cần quan tâm tới đặc tính tĩnh thiết bị đo Tuy nhiên tín hiệu đầu đáp ứng với thay đổi tương đối nhanh đại lượng đo Quan hệ phụ thuộc tín hiệu đầu vào đại lượng đo biến thời gian gọi đặc tính động học thiết bị đo Đặc tính động học hầu hết thiết bị đo mơ tả mơ tả phương trình vi phân cấp cấp hai Coi đặc tính thiết bị đo tuyến tính coi động học biểu diễn với khâu quán tính bậc nhất: Gm ( s ) = y( s ) k = m x( s ) + τs Hàm truyền đạt chuyển đổi dịng điện-khí nén (I/P) Bộ chuyển đổi I/P chọn PK200 hãng YOKOGAWA có tín hiệu đầu vào dịng điện I: ÷ 20mA tín hiệu đầu áp suất khí nén P: 0,2 ÷ 1KG/cm2 Như vậy, thiết bị có hàm truyền khâu khuyếch đại với hệ số khuyếch đại K xác định sau: K IP = ∆Pmax − 0,2  KG / cm  = = 0.05  ∆I max 20 −  mA  (2.1) 2.1.4.2 Thiết bị chấp hành Một hệ thống thiết bị chấp hành có chức can thiệp tới biến điều khiển Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu 12 nhất và quan trọng nhất Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển Phần lớn van điều khiển công nghiệp được thiết kế để có tính an toàn học, có nghĩa là không có tín hiệu điều khiển thì van hoặc phải đóng hoàn toàn hoặc phải mở hoàn toàn để ngăn chặn nguy sảy tai nạn Van đóng an tồn Van mở an tồn Hình n có đợ tượng lớn hiệ cho n hiệu độn khiển tăng Lưu ý khá Van đóng an toà2.6: Biểumở vanvà kýhơnukhi tíkiểu tácđiều g của van điều khiển i niệm ‘chiều tác động’ của bản thân van điều khiển được định nghĩa các tài liệu chuẩn dựa theo chiều chuyển động của chốt van Chiều tác động thuận được định nghĩa là độ mở van tăng lên tín hiệu điều khiển tăng Nếu van xác định tốt quan hệ lưu lượng độ mở van coi tuyến tính Trong thực tế hàm truyền van thường coi khâu quán tính bậc có trễ, lấy gần xem khâu quán tính bậc nhất: GV ( s ) = KV + Tv s Trong đó: KV : hệ số khuyếch đại van Tv : thời gian trễ van, thường lấy T = 25 ms = 0,025s Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0,2 ÷ 1KG/cm2 độ mở van thay đổi từ ÷ 80%, hệ số khuyếch đại xác định sau: K V = 80  % ®é m ë  = 100   − 0,8  K G / cm  Khi độ mở van thay đổi từ ÷ 80% lưu lượng nước qua van thay đổi từ ÷ 40 T/h Từ hệ số truyền liên hệ lưu lượng nước qua van độ mở van là: K T =  T /h  40 ≈ 0,5   80 − % ®é m ë  Kết hợp hàm truyền ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào áp suất khí nén tín hiệu lưu lượng nước cấp thông qua cấu van: GV ( s ) = 50 T / h  % + 0.025s  KG / cm %    (2.2) 2.1.4.3 Bình bao Hơi nước đối tượng mang nhiệt năng, dẫn đến tuabin để sinh cơng (nhờ chuyển hóa lượng từ nhiệt thành năng) Nước từ bao đưa xuống quanh lị ống dẫn (bao đặt phía lị, vị trí cao ) 13 Tính hàm truyền đối tượng (mạch điều chỉnh áp suất bình bao hơi) Đối tượng điều chỉnh hệ thống áp suất bình bao hơi, theo tài liệu tham khảo ta thơng qua đặc tính động học thực nghiệm hệ điều khiển áp suất bình bao với tác động điều chỉnh van đóng mở nước để xác định tham số đối tượng Các thông số hàm truyền đối tượng là: K : hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền  at  K = 0,05 t / h   τ : số thời gian trễ, τ =18( s ) T : số thời gian, T=50(s) Khi hàm truyền đạt đối tượng là: Gdt ( s ) = Khâu trễ 0,05.e −18 s 50 s + e −18 s biến đổi gần sau: e −18 s = 1 + 18s ⇒ Gdt ( s ) = 0,05 (1 + 50s )(1 + 18s ) (2.3) 2.1.5 Hàm truyền hệ thống Ta có sơ đồ khối sau: Dựa vào số liệu thực tế, hàm truyền hệ hở sau : GH ( s ) = 50 0.05 ( 0.02s + 1) (18s + 1)( 50s + 1) (2.4) Vậy cấu trúc mơ tả tốn học tồn hệ thống dạng hàm truyền hình vẽ : Hình 2.8 Cấu trúc mơ tả tốn học tồn hệ thống Trên sở hàm truyền toàn hệ thống mạch vòng điều chỉnh ổn định áp suất bao trên, tác giả tiến hành thiết kế điều khiển PID 2.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.2.1 Các phương pháp tổng hợp PID 2.2.1.1 Tổng hợp điều khiển sở hàm độ h(t) a Phương pháp Ziegler - Nichols * Phương pháp Phương pháp thích hợp với mơ hình xấp xỉ với mơ hình : 14 m Wdt ( s) = Bm ( s ) −Tt s e = An ( s ) K dt ∏ (1 + Ti s ) i =1 n ∏ (1 + T j s) e −Tt s (m 40% Vì phương pháp dùng để tìm tham số ban đầu cho PID, sau dùng phương pháp khác để chỉnh định b Phương pháp Chien- Hromes- Reswich Phương pháp gần giống với phương pháp Ziegder – Nichols song sử dụng trực tiếp hàm h(t) mà khơng xem gần với khâu qn tính có trễ thêm giả thiết đối tượng ổn định, h(t) dạng chữ s Tb >3 Ta Hàm truyền dạng : Wdt ( s ) = K dt (1 + Ts ) n với n ≥ (2.7) Các bước phương pháp: - Xây dựng đường thực nghiệm h(t) - Xác định tham số Ta , Tb Tb >3 Ta - Kiểm tra điều kiện c Phương pháp số thời gian tổng Kuhn Phương pháp áp dụng cho đối tượng khơng có độ điều chỉnh, ổn định động học hình chữ s (đối tượng 2.5) Với n m j =1 i =1 T∑ = ∑ T j + Tt − ∑ Ti ' > ∞ Và gọi A = h( ∞ ) − ∫ h(t )dt = K dt T∑ ⇒ T∑ = (2.8) A K dt (2.9) 15 Vậy T∑ tính từ cơng thức (2.8) (2.9) từ Kuhn đề phương pháp thời gian tổng Kunh để chọn luật điều khiển PID Đặc biệt phương pháp thích hợp cho đối tượng : Wdt ( s ) = K dt (1 + Ts ) n T ; TI = ∑ K dt + Nếu sử dụng PI : KP = + Nếu sử dụng PID: K P = 2T ; TI = ∑ ; TD = 0,167T∑ K dt 2.2.1.2 Tổng hợp điều khiển PID miền tần số a Nguyên tắc thiết kế Một hệ thống điều khiển miêu tả Hình 2.10 Bài tốn đặt điều khiển cho tín hiệu phải bám vào tín hiệu vào u(t) Nếu cách lý tưởng hàm truyền hệ kín : u(t) Wđk (s) Wdt (s) y(t) (-) Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển Wk ( s) = hay Wdk ( s ).Wdt ( s) =1 + Wdk ( s ).Wdt ( s) Wk ( jω ) = (2.10) Vậy ta cần phải xác định cấu trúc tham số điều khiển với ω ∈ Ω max để có Wk ( jω ) = b Phương pháp tối ưu modul Phương pháp áp dụng cho đối tượng (2.1) Wdt ( s ) = n m K dt ' với T∑ = ∑ T j + Tt − ∑ Ti > + T∑ s j =1 i =1 (2.11) Để Wk ( jω ) = có nghĩa sai lệch tĩnh hệ kín ≈ , đặt tín hiệu u (t ) = 1(t ) : ta chọn luật điều khiển PI, ta có : Wdk ( s) = KP = KP với tham số K P ,TI chọn: TI s TI K dt T∑ (2.12) Tùy ý chọn K P TI trước Hàm tuyền hệ hở có dạng : Wh ( s ) = K0 ; K = K P K dt TI s (1 + T∑ s ) 16 đối tượng có cấu trúc hệ hở (hình 2.9) thỏa mãn (2.12) * Ứng dụng phương pháp: + Bù số thời gian lớn đối tượng: Xét đối tượng có: Wdt = K dt ; T1 > T∑ (1 + T1s)(1 + T∑ s ) Chọn luật điều khiển cho: Wh ( s ) = Wdk ( s ).Wdt ( s ) = suy ta chọn luật PI : Wdk ( s ) = K P (2.13) K0 TI ( s )(1 + T∑ s ) + TI s TI chọn TI = T1 ⇒ K P = T1s K dtT∑ + Bù số thời gian lớn đối tượng: Xét đối tượng có: Wdt = K dt ; T1 , T2 > T∑ (1 + T1s)(1 + T2 s )(1 + T∑ s) (2.14) Chọn luật điều khiển cho: Wh ( s) = Wdk ( s).Wdt ( s) = K0 suy ra: T1s (1 + T∑ s )   K (T s + TI TD s + 1) K P (1 + TA s )(1 + TB s ) Wdk ( s ) = K P 1 + + TD s  = P I =  Ts  TI s TI s I   TA TB = TI TD TA + TB = TI Với:  ta chọn TA = T1 ; TB = T2 ,Ta có: K P = TI K dt T∑ c Phương pháp tối ưu đối xứng Phương pháp áp dụng cho đối tượng thuộc lớp II + Đối tượng: Wdt ( s ) = K dt Ts (1 + T∑ s) (2.15) Tương tự tối ưu modul để sai lệch tĩnh → Khi tín hiệu đặt u (t ) = 1(t ) ta chọn luật điều khiển PI Wdk ( s ) = K P + TI s TI s Lúc thay Wdk (s ) vào ta tìm Wh ( s ) = Wdk ( s ).Wdt ( s ) Wh ( s) = K (1 + TI s ) ; K = K dt K P T TI s (1 + T∑ s ) Tham số cần thiết kế K P TI : Theo tài liệu lý thuyết điều khiển tuyến tính để thỏa mãn Wk ( jω ) = ⇒ TI = a.T∑ với a ≥ , K P = Đối tượng : Wdt ( s ) = K dt Ts (1 + T1s )(1 + T∑ s ) T K dt T∑ a (2.16) 17 Chọn luật điều khiển PID có: Wdk ( s ) = K P (1 + TA s )(1 + TB s) TI s TA TB = TI TD TA + TB = TI Với:  Ta tính tham số điều khiển: TA = T1 ; TB = a.T∑ với a ≥ ⇒ TI = T1 + T∑ TD = KP = T1.aT∑ ; T1 + aT∑ ' ' T K PTI K PTI ' = với K P = K dtT∑ a TB a.T∑ 2.2.2 Tổng hợp điều khiển áp suất bao Từ cấu trúc Hình 2.8 ta có cấu trúc điều khiển áp suất bao sau : Hình 2.11 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bao Đây đối tượng có cấu trúc giống (2.10), ta sử dụng phương pháp mô đun tối ưu để thiết kế điều khiển Theo phương pháp mô đun tối ưu, tham số điều khiển sau : K P = 32 K I = 0.5 K D = 200 s Bộ điều khiển : RPID ( s ) = 32 + 0.5 + 200 s 2.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BẰNG MÔ PHỎNG Để đánh giá chất lượng hệ thống sử dụng phần mềm chuyên dụng Matlab – Simulink để mô 2.3.1 Sơ đồ mơ matlab – Simulink 18 Hình 2.12 Sơ đồ mô Matlab – Simulink 2.3.2 Các kết mô - Trường hợp : Tiến hành mơ với áp suất 1,7 at; Hình 2.13 : Áp suất hệ thống bao với điều khiển PID - Trường hợp 2: Mô với áp suất bao thay đổi từ 1,7at xuống 1,2 at, Hình 2.14 Áp suất hệ thống bao với điều khiển PID (với áp suất 1.7at xuống 1,2 at) 19 2.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BẰNG THỰC NGHIỆM - Trường hợp thay đổi áp suất đặt từ 1Bar lên 2Bar sau xuống 1.7Bar, với thơng số điều khiển: K P = 100 ; K I = 20 ; K D = 0,5 Hình 2.19 Kết thí nghiệm điều khiển áp suất với K P = 100 ; K I = 20 ; K D = 0,5 - Trường hợp thay đổi áp suất đặt từ 1Bar lên Bar sau xuống 1.7Bar, với thơng số điều khiển: K P = 10 ; K I = 20 ; K D = 0,5 Hình 2.20 Kết thí nghiệm điều khiển áp suất với K P = 10 ; K I = 20 ; K D = 0,5 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương ta xây dựng mơ tả tốn học cho đối tượng điều khiển hệ thống hở Dựa vào thơng số thực tế thiết bị thí nghiệm ta xác định thông số đối tượng hệ số khuyếch đại số thời gian trình cấu chấp hành Với kết ta thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất hệ thống mức nước bao mô hình lị trung tâm thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Tiến hành đánh giá kết tính tốn lý thuyết qua mơ Matlab – Simulik thực nghiệm 20 Tuy nhiên kết chưa đề cập đến nhiễu tác động tham số hệ trình biến thiên CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong chương 2, tổng hợp điều khiển PID điều khiển cho mơ hình vật lý phịng thí nghiệm Kết mô thực nghiệm chứng minh điều khiển PID đáp ứng yêu cầu trình ổn định áp suất lị với tham số mơ hình xác định (Từ tham số mơ hình, xác định tham số điều khiển) Tuy nhiên tham số KP, TI, TD điều khiển PID tính toán cho chế độ làm việc cụ thể đối tượng Thực tế làm việc, tham số đối tượng ln thay đổi, ngồi q trình ổn định áp suất bao thực tế chịu nhiễu tác động từ bên ngồi, điều khiển PID với tham số cố định khơng cịn đảm bảo chất lượng hệ mong muốn Vấn đề đặt điều khiển tham số đối tượng thay đổi, muốn đảm bảo lượng hệ không thay đổi tham số điều khiển địi hỏi phải thay đổi cho phù hợp Để thực việc điều chỉnh tự động tham số điều khiển PID người ta có nhiều phương pháp khác Một phương pháp sử dụng điều khiển PID thích nghi 3.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI 3.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển PID thích nghi Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển PID thích nghi Mơ hình mẫu chọn cho đặc tính mơ hình mẫu đặc trưng cho tiêu chuẩn đặt trước 3.2.2 Tính tốn tham số điều khiển Mơ hình mẫu lựa chọn có hàm truyền đạt : Gm ( s ) = 1 = (18s + 1)( 50s + 1) 900.s + 68.s + Biểu thức xác định luật chỉnh định tham số xác định là: 21 1 s  11 k1    d   k  = −γ 0 dt  k F     0    0  0 0   s33  s22 1 s  11 k1   d   k = −γ 0 dt    k F     0  s22 − 0.000056 x1   p − 0.000056 x2  11 p 0.000056u ref  21  p12 e1  p22 e2        − 0.000056 x1 ( p21e2 + p22 e2 )      − 0.000056 x2 ( p21e2 + p22 e2 )    0.000056u ( p e + p e )  ref 21 22    s33   dk1 γ 0.000056 ( p21e2 + p22 e2 ) x1  dt = s11   dk γ 0.000056 ( p21e2 + p22e2 ) x2 =  dt s22   dk F γ 0.000056 = ( p21e2 + p22 e2 ) uref  s33  dt Cuối ta luật chỉnh định cho tham số  γ' k1 = ∫ ( p21e2 + p22 e2 ) x1dt + k1 ( 0)  s11   γ' k2 = ( p21e2 + p22e2 ) x2 dt + k ( 0)  s22 ∫   γ' k F = − ∫ ( p21e2 + p22 e2 ) uref + k F ( 0) s33  3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 3.3.1 Mô hệ thống k1 , k , k F sau : 22 Hình 3.4 Sơ đồ mơ 3.3.2 Kết mô a, Trường hợp 01 Xét lượng hệ hệ số khuếch đại đối tượng bị thay đổi từ : K dt = 0.05 đến Kdt = 0.1 Wdt ( s ) = 50 0.1 ( 0.025s + 1) (18s + 1)( 50s + 1) 1.4 Dau cua doi tuong Dau cua mo hinh mau 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 5000 10000 15000 time (samples) Hình 3.5 : Lượng hệ lượng mơ hình mẫu 23 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 5000 10000 15000 time (samples) Hình 3.6 Sai lệch đầu đối tượng đầu mơ hình mẫu -2 k1 -4 -6 -8 5000 10000 15000 5000 10000 15000 5000 10000 15000 20 k2 -20 -40 kF 20 10 time (samples) Hình 3.7 Q trình thích nghi tham số k1 , k , k F b,Trường hợp 02 Xét lượng hệ số thời gian thay đổi : Wdt ( s ) = 50 0.05 0.025s + (10s + 1)( 60 s + 1) 1.8 1.6 Dau cua he Dau cua mo hinh mau 1.4 1.2 y(t) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 5000 10000 15000 time (samples) Hình 3.8: Lượng hệ lượng mơ hình mẫu 24 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 5000 10000 15000 time (samples) Hình 3.9: Sai lệch đầu đối tượng đầu mơ hình mẫu k1 -5 -10 5000 10000 15000 5000 10000 15000 5000 10000 15000 10 K2 -10 -20 kF 10 time (samples) Hình 3.10 Q trình thích nghi tham số c Đáp ứng hệ PID PID thích nghi k1 , k , k F 25 Hình 3.11 Đáp ứng hệ lượng đặt số D pu a ng cu h PID v P tich ng i a e a ID h P - th ich n i gh P - PID P- m u a P- d at Ap su t a 0 20 0 0 00 00 12 0 To g n h i ia 00 160 18 00 00 Hình 3.12 Đáp ứng hệ lượng đặt thay đổi 3.3.3 Đánh giá kết mô - Khi hệ số khuếch đại, số thời gian đối tượng thay đổi tham số điều khiển PID thay đổi theo, kết lượng hệ bám sát lượng mơ hình mẫu, tức hệ thoả mãn tiêu đặt trước - Từ kết Hình 3.11 Hình 3.12, đánh giá hệ PID thích nghi có chất lượng động tĩnh tốt hệ PID : 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương giải vấn đề sau : - Đã giới thiệu tổng quan tồn PID, hướng khắc phục tồn Giới thiệu hệ Điều khiển thích nghi phạm vi ứng dụng - Đề xuất sử dụng hệ PID thích nghi vào điều khiển ổn định áp suất bao để nâng cao chất lượng điều khiển - Tổng hợp điều khiển PID thích nghi - Tiến hành mơ để đánh giá chất lượng hệ Qua kết mơ phỏng, nhận thấy hệ PID thích nghi khắc phục tồn hệ PID sử dụng để điều khiển ổn định áp suất bao hơi, đáp ứng yêu cầu trình sản xuất KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1.Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển cho đối tượng điều khiển áp suất hệ thống mức nước bao Nhiệm vụ cụ thể nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển áp suất bao điều khiển PID thích nghi Với mục tiêu đề nội dung luận văn hoàn thành chương sau: 26 Chương 1: Tổng quan điều khiển trình Chương 2: Thiết kế PID điều khiển trình Chương 3: Thiết kế điều khiển PID thích nghi Kết luận văn đạt là: - Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất hệ thống mức nước bao mơ hình lị trung tâm thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm - Kết thực nghiệm chưa đề cập đến thay đổi tham số đối tượng nhiễu tác động Vì để đáp ứng với hệ thực, tác giả đề xuất thiết kế điều khiển điều khiển PID thích nghi Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu chưa nhiều, kiến thức kinh nghiệm thực tế cịn có hạn nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau đặc biệt áp dụng điều khiển Tài liệu tham khảo [1] Phạm Công Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động [2] Nguyễn Trọng Thuần: Điều khiển lôgic ứng dụng [3] Nguyễn Thơng Ngô, (1998), Lý thuyết điều khiển tự động đại, Nhà xuất Khoa học kỹ tht, Hµ Néi [4] Đồn Quang Vinh: Điều khiển số [5] Nguyễn Phùng Quang: Matlab &Simulink [6] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (1996), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB KHKT Hà Nội [7] Nguyễn Thị Phương Hà (1996), Điều khiển tự động, NXB KHKT Hà Nội [8] Trần Xuân Minh, Nguyễn Như Hiển: '' Tổng hợp hệ điện " NXB KH & KT, 2011 [9] Ästrom, K.J and Wittenmark, B (1995), Adaptive Control’, Addison-Wesley Publising Company ... điều khiển, lựa chọn giải pháp nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình cụ thể Đề xuất giải pháp ứng dụng vào nâng cao chất lượng điều khiển ổn định áp suất bao 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN... Giới thiệu hệ Điều khiển thích nghi phạm vi ứng dụng - Đề xuất sử dụng hệ PID thích nghi vào điều khiển ổn định áp suất bao để nâng cao chất lượng điều khiển - Tổng hợp điều khiển PID thích nghi... chất lượng hệ điều khiển trình? ?? cần thiết cần tập trung nghiên cứu để đáp ứng tốt chất lượng điều khiển trình Luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan điều khiển trình Chương 2: Thiết kế PID