Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo trình bày một giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống có trễ, dùng luật điều khiển PID số và áp dụng mô hình điều khiển ngoại suy Smith, trong đó tín hiệu điều khiển không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của sai số giữa lượng ra và tín hiệu vào mà còn dựa trên sự thay đổi tín hiệu điều khiển suốt trong thời gian chậm trễ của hệ khi điều khiển quá trình. Nhờ vậy tăng độ ổn định, giảm giá trị quá điều chỉnh cực đại.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 VỀ MỘT GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÓ KHÂU TRỄ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NGOẠI SUY VÀ LUẬT ĐIỀU KHIỂN PID SỐ ABOUT A SOLUTION FOR IMPROVING QUALITY OF THE CONTROL SYSTEM WITH DELAY USING EXTRAPOLATION CONTROLLER AND DIGITAL PID CONTROL LAW Đinh Thị Hằng1, Nguyễn Hữu Thung2, Phạm Văn Cường3,* TĨM TẮT Bài báo trình bày giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống có trễ, dùng luật điều khiển PID số áp dụng mơ hình điều khiển ngoại suy Smith, tín hiệu điều khiển khơng phụ thuộc vào giá trị tức thời sai số lượng tín hiệu vào mà dựa thay đổi tín hiệu điều khiển suốt thời gian chậm trễ hệ điều khiển trình Nhờ tăng độ ổn định, giảm giá trị điều chỉnh cực đại, tăng tác động nhanh nâng cao độ xác trạng thái xác lập hệ Từ khóa: Hệ thống dạng trễ, điều khiển ngoại suy, luật điều khiển PID số ABSTRACT This paper presents a solution to improve the quality of the control system with delay, using digital PID controller and apply the Smith extrapolation controller model, in which the control signal depends not only on the instantaneous value of the error between the output and the input signal but also on the change of the control signal during the delay time of the system when controlling the process so that increasing the stability, reducing the value of the maximum adjustment, increasing the impact quickly and improving the accuracy in the setting state of the system Keywords: Delay system, extrapolation controller, digital PID control law nhưng, luật điều khiển PID không phù hợp điều khiển trình giữ chậm hay bị trễ Ta quy ước gọi chung hệ có trễ Trong báo này, tác giả trình bày giải pháp khắc phục hạn chế áp dụng luật điều khiển PID số mơ hình ngoại suy Smith [2, 4] ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan đối tượng nghiên cứu Xét hệ trộn gồm hai dung dịch hóa chất đồng chất khác nồng độ (hình 1) Ta ký hiệu nồng độ chất chảy vào Ci cao nồng độ C sản phẩm trộn chảy theo giá trị đặt ký hiệu X(t), ta quy ước gọi lượng vào Nồng độ chất chảy vào thay đổi cách định trước, trình trộn thực Nồng độ sản phẩm đo theo nồng độ dòng hóa chất chảy đại lượng điều khiển, ta quy ước gọi lượng ký hiệu Y(t), thực chất nồng độ C Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật công nghiệp Học viện Kỹ thuật Quân Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: cuongpv0610@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 05/6/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/9/2019 Ngày chấp nhận đăng: 15/10/2019 MỞ ĐẦU Hiện luật điều khiển PID ứng dụng rộng rãi có hiệu để điều khiển trình kỹ thuật [1] công nghiệp sản xuất chế biến Nguyên nhân chủ yếu q trình kỹ thuật gắn liền với trình biến đổi điện tử có độ trễ lớn mặt động học xấp xỉ chúng mơ hình động học bậc hai Thế 16 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 54.2019 Hình Hệ trộn hai dung dịch hóa chất đồng chất có nồng độ dung dịch khác 2.2 Ảnh hưởng trễ đến chất lượng điều khiển Hiện tượng trễ thường gặp hệ thống điều khiển q trình kỹ thuật Ngồi ngun nhân nêu trên, tượng trễ vòng hồi tiếp khác liên quan đến thời gian giữ chậm cần thiết để thu thập, phân tích, xử lý tín hiệu cần cho việc xác định tham số điều khiển SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Ta quy ước coi quy trình cơng nghệ kèm theo phương tiện, thiết bị kỹ thuật gắn hệ thống thiết bị đo, điều khiển cấu chấp hành hệ thống kỹ thuật điều khiển số [1] Trong trường hợp đó, thơng tin kết điều khiển đưa đến đầu vào điều khiển theo sai lệch (hệ có phản hồi âm) chậm thời gian bắt buộc Nói chung thơng tin qua khâu phản hồi trễ thường dẫn theo hậu “trở thành thông tin sai thời điểm tại” Hiện tượng trễ làm giảm tính ổn định hệ thống điều khiển, chí làm cho hệ thống ổn định [3, 5] Trong trường hợp đó, để áp dụng luật điều khiển PID buộc phải giảm hệ số khuếch đại dẫn tới tăng độ dao động lượng ra, kéo dài thời gian độ, làm tăng sai số trạng thái xác lập Để minh chứng cho điều này, ta xét hệ thống điều khiển tối giản cho hình Từ xác định có sơ đồ cấu trúc hệ thống có khâu trễ mơ tả hình Hình Sơ đồ điều khiển hệ thống điều khiển đối tượng có trễ Từ xác định hàm số truyền hệ điều khiển mạch kín có dạng: Y(s) G (s) S(s) e = X(s) + G (s) S(s) e Trong đó: T: Thời gian trễ (s): Hàm số truyền điều khiển S(s): Hàm số truyền đối tượng điều khiển - Tỷ lệ nồng độ chất bể trộn : Hàm số truyền khâu trễ ( ): Đại lượng điều khiển - Nồng độ C sản phẩm ( ): Giá trị Ci quy định nồng độ C sản phẩm Từ đây, mơ hình mơ hệ thống Matlab Simulink có dạng hình 3a a) Khi khơng tính đến độ trễ b) Khi có tính độ trễ Kết cho hình 3b Hình 3b Đặc tính độ hệ thống áp dụng luật điều khiển PID trường hợp khơng trễ có trễ Giá trị đặt nồng độ Ci Giá trị thực trễ Giá trị thực có trễ Để điều khiển hệ thống tối giản nêu điều khiển giản đơn phức tạp Trong ví dụ nêu thời điểm t = nồng độ sản phẩm (dung dịch bể) thấp Bộ điều khiển tăng chất chảy vào để nâng nồng độ sản phẩm Cho tới thời điểm t < T thay đổi liên quan đến hoạt động điều khiển qua sản phẩm quãng thời gian t < T điều khiển không phát thay đổi nồng độ sản phẩm Do tiếp tục tăng lượng vào Trên thực tế thời điểm nồng độ sản phẩm cao hệ số khuếch đại điều khiển lớn Đến t = T điều khiển cảm nhận nồng độ sản phẩm bắt đầu chuyển hướng tác động giảm lượng vào Hiệu tác động điều khiển cảm nhận thời điểm t = T1 hoạt động điều khiển từ thời điểm t = T đến t = T1 dẫn đến trình theo hướng xấu T1 khoảng thời gian điều khiển cảm nhận hiệu điều khiển lượng (T1 = 2T) Trong đó, để nhận thơng tin đại lượng điều khiển bị trễ khoảng thời gian T để cảm nhận tác động tín hiệu điều khiển lượng khoảng thời gian T GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Hình 3a Sơ đồ khối hệ thống Để thấy ảnh hưởng trễ đến diễn xuất q trình ta mơ hai trường hợp: 3.1 Phương pháp điều khiển dự báo Smith Trong thành phần đối tượng điều khiển thơng thường có thành phần trễ e-Tp Đối với phương pháp sử dụng PID trực tiếp (xác định tham số PID theo ZieglerNichols, theo tổng T Kuhn, ) hay thiết kế theo tối ưu độ lớn, ta thay xấp xỉ thành phần trễ khâu qn tính bậc cao, theo cơng thức Pade với phương pháp tối ưu đối xứng cân mơ hình khó áp dụng Nó thường đưa đến hàm truyền đạt đối tượng No 54.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 có bậc q cao làm cho mơ hình có sai lệch góc pha lớn dẫn đến khả khơng tích hợp điều khiển vi phạm tính nhân Như trình bày khó khăn hệ thống có trễ thơng tin cần thiết tiếp nhận muộn dẫn đến làm cho hệ ổn định Trong báo này, nhóm tác giả trình bày giải pháp ứng dụng mơ hình điều khiển ngoại suy Smith (Smith predictor) [2, 4] điều khiển PID số Nguyên tắc dự báo Smith: Để thiết kế điều khiển R(s) cho đối tượng có trễ S(s).e-Ts (hình 2), Smith đề nghị thiết kế điều khiển R(s) riêng cho đối tượng S(s) khơng có thành phần trễ, hình Hình Mơ hình với điều khiển R(s) Từ hình ta có hàm truyền đạt hệ kín: G(s) = (1) Hàm truyền đạt hệ kín hệ thống mơ tả hình có dạng: G(s) = e (2) Từ công thức (1) (2), ta có hàm truyền đạt điều khiển GR(s): G = ( ) (3) Thay cơng thức (3) vào hình 4, ta có cấu trúc điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith mơ tả hình Hình Cấu trúc điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith Bộ điều khiển gồm mơ hình trình kỹ thuật tức đối tượng điều khiển có tính đến trễ T gọi điều khiển ngoại suy Hàm số truyền điều khiển ngoại suy mơ hình hệ thống kỹ thuật bắt buộc giống hàm số truyền đối tượng SĐT(s) Nếu hàm số truyền SMH(s) mơ hình kỹ thuật trùng hợp xác với hàm số truyền đối tượng SĐT(s) (gọi chung S(s)) tính tốn tương ứng hàm số truyền hệ thống mạch kín là: Y(s) R(s) S(s) e = + R(s) S(s) X(s) Trong đó: R(s) hàm số truyền điều khiển PID số; S(s) hàm số truyền đối tượng; e- hàm số truyền khâu trễ 18 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 54.2019 Trong điều khiển ngoại suy Smith mẫu thức hàm số truyền mạch kín hệ điều khiển trùng với hàm số truyền hệ kín khơng trễ Nói cách khác đặc tính q độ hệ thống mạch kín có mơ hình ngoại suy Smith giống đặc tính q độ hệ thống khơng trễ Phương trình điều khiển khơng có mơ hình ngoại suy viết sau: U(s) = R(s) E(s) (4) Còn có mơ hình ngoại suy là: U(s) = R(s) [E(s) + S(s) e − S(s)] (5) Trong đó, thành phần thứ (5) tín hiệu thường lệ điều khiển theo sai lệch Thành phần thứ hai liên quan đến tín hiệu điều khiển trước u(t-T) nhân với hàm số truyền mơ hình S(s) Thành phần cuối xác định theo tín hiệu điều khiển tức thời Từ sơ đồ cấu trúc trình bày rút giá trị điều khiển khứ cần lưu lại Việc thực mơ hình ngoại suy Smith trước xuất máy tính số phức tạp lẽ lúc có kỹ thuật tương tự khơng cho phép thực thi mơ hình ngoại suy khơng lưu giá trị tín hiệu điều khiển khứ thời gian dài Ngày xuất kỹ thuật số, việc thực thi dễ dàng Nội dung vấn đề trình minh chứng kết mô hệ điều khiển đơn giản áp dụng mơ hình mở rộng điều khiển PID số 3.2 Ứng dụng điều khiển ngoại suy luật điều khiển PID số hệ thống trộn dung dịch có tính trễ Trước hết phải xác định cấu trúc động học hệ thống trộn đơn giản trình bày (hình 1) Hệ thống gồm: Bể trộn, nơi xảy quy trình cơng nghệ trộn hai dung dịch chất lỏng đồng chất khác nồng độ phần tử chấp hành chọn động điện chiều kích từ độc lập Hai phần tử mắc nối tiếp với Để xác định hàm số truyền quy trình cơng nghệ trộn, ta dựa vào phương trình cân khối lượng hợp phần Nồng độ dung dịch dòng chảy vào (Ci) thay đổi cách định trước Lưu lượng dòng chảy vào dòng chảy coi không đổi q Khối lượng toàn phần hợp phần bể trộn xác định theo thể tích V V*C (ta coi nồng độ sản phẩm đầu nồng độ bể trộn) Khi cân khối lượng hợp phần trình bày dạng phương trình vi phân [1]: ( ∗ ) = q∗C −q∗C (6) Do V dung tích bể trộn C hàm theo thời gian thời điểm xác định giá trị tức thời C coi khơng đổi từ đưa phương trình (6) dạng: ∗ +C=C (7) Đây phương trình vi phân mơ tả động học khâu quán tính bậc hàm số truyền có dạng: S (s) = (8a) SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong đó: K = C ; T = Khi chọn động chấp hành động điện chiều kích từ độc lập lượng tốc độ quay trục động động điện chiều khâu quán tính bậc hàm số truyền ta hiểu S2(s) S (s) = Đáp ứng nồng độ chất lỏng chảy hệ thống sử dụng điều khiển ngoại suy luật điều khiển PID số thể hình (8b) Vì hai khâu quán tính bậc mắc nối tiếp với nên hàm số truyền hệ thống trộn đơn giản mạch hở khâu qn tính bậc hai có dạng: S(s) = ( )( (9) ) Với S(s) đối tượng điều khiển, khâu qn tính bậc hình Hình Đáp ứng nồng độ chất lỏng chảy hệ thống sử dụng điều khiển ngoại suy luật điều khiển PID số Hình Hàm truyền khâu quán tính bậc Xét điều khiển có khâu PI: K (1 + T s) + T s R(s) = K + = = Ts Ts T s Trong đó: T = ; T =T; K = ; K = Khai báo thông số cho điều khiển PID hình Hình Thông số điều khiển PID Từ cấu trúc điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith hình 5, ta có sơ đồ khối hệ thống điều khiển hình Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith KẾT LUẬN Nhóm tác giả áp dụng phương pháp điều khiển đại - điều khiển ngoại suy luật điều khiển PID số để đảm bảo nống độ chất lỏng chảy theo giá trị đặt Chất lượng hệ thống điều khiển đảm bảo nâng cao Điều kiểm chứng mô Matlab - Simulink Nguyên tắc thiết kế điều khiển Smith linh hoạt tùy theo đối tượng điều khiển S(s) Chỉ cần thiết kế điều khiển R(s) theo đối tượng S(s) bỏ qua trễ Tuy nhiên nhược điểm điều khiển Smith phải biết xác mơ hình đối tượng, xác độ trễ Điều lưu ý điều khiển Smith triệt tiêu trễ mà loại trừ ảnh hưởng xấu khâu trễ đến chất lượng điều khiển nguyên tắc chọn mơ hình trùng q trình cơng nghệ đặc tính q độ dịch chuyển sang phải khoảng thời gian trễ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn, 2009 Cơ sở hệ thống điều khiển trình Nhà xuất Bách khoa Hà Nội [2] Gustaf Olsson, Giangcudo, 2001 Bản dịch tiếng Nga - Hệ thống số tự động hóa điều khiển tái lần Xanh Petec bua, Nga [3] Nguyễn Hữu Thung, Đinh Thị Hằng, 2007 Hỏi đáp khó khăn gặp phải chỉnh định tham số điều khiển PID liên tục hệ có trễ Tạp chí Tự động hóa ngày số [4] Smith, Otto J.M, 1957 Close Control of loops with deadtime Prentce Shall [5] V.A.Bexekerskyi, E.B Popop, 1972 Lý thuyết điều chỉnh tự động Nhà xuất “Nauka” Matsxcova AUTHORS INFORMATION Dinh Thi Hang1, Nguyen Huu Thung2, Pham Van Cuong3 University of Economics - Technology for Industries Military Technical Academy Hanoi University of Industry No 54.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19 ... áp dụng phương pháp điều khiển đại - điều khiển ngoại suy luật điều khiển PID số để đảm bảo nống độ chất lỏng chảy theo giá trị đặt Chất lượng hệ thống điều khiển đảm bảo nâng cao Điều kiểm chứng... thông số cho điều khiển PID hình Hình Thơng số điều khiển PID Từ cấu trúc điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith hình 5, ta có sơ đồ khối hệ thống điều khiển hình Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển. .. Cấu trúc điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith Bộ điều khiển gồm mô hình trình kỹ thuật tức đối tượng điều khiển có tính đến trễ T gọi điều khiển ngoại suy Hàm số truyền điều khiển ngoại suy mơ