Chấp nhận ngày 8 tháng 5 năm 2015 bộ điều khiển PID Aboubaker M Gabaj Khoa Máy tính, Khoa Giáo dục, Đại học Tripoli, Tripoli Libya Email kgabaja@gmail com Mostafa A Fellani *, Aboubaker M Gabaj** * Ph[.]
Trang 1Chấp nhận ngày 8 tháng 5 năm 2015
bộ điều khiển PID
Aboubaker M Gabaj Khoa Máy tính, Khoa Giáo dục, Đại học Tripoli, Tripoli Libya Email:kgabaja@gmail.com
Mostafa A Fellani *, Aboubaker M Gabaj** * Phòng
Kỹ thuật Điều khiển, Khoa Công nghệ Điện tử, Beni-Walid, Libya Email: alfellani
@gmail.com Phòng Máy tính, Khoa Giáo dục, Đại học Tripoli, Tripoli Libya Email: kgabaja@ gmail.com
từ khóa:
1 GIỚI THIỆU
Phần phức tạp của thiết kế bộ điều khiển là tìm ra mức độ nỗ lực khắc phục mà bộ điều khiển nên áp dụng cho quy trình trong từng trường hợp Một số tình huống yêu cầu kiểm soát biến quy trình chặt chẽ hơn so với điều khiển Bật-Tắt có thể cung cấp
Nhận ngày 30 tháng 10 năm 2014
Vào những năm 1930, các kỹ sư điều khiển đã phát hiện ra rằng lỗi có thể được loại bỏ hoàn toàn bằng cách tự động đặt lại điểm đặt thành giá trị cao giả tạo [3]-[6]
Sửa đổi ngày 22 tháng 4 năm 2015
Đồng tác giả:
436
TRỪU TƯỢNG
Phương pháp điều chỉnh PID
tập 5, Số 3, tháng 6 năm 2015, trang 436~442 ISSN: 2088-8708
Điều khiển tỷ lệ cung cấp khả năng điều khiển tốt hơn vì đầu ra của nó hoạt động tuyến tính ở bất kỳ đâu giữa BẬT hoàn toàn và TẮT hoàn toàn [5] Như tên gọi của nó, đầu ra của nó thay đổi tỷ lệ thuận với tín hiệu lỗi đầu vào kiểm soát mực nước
Bộ điều khiển tỷ lệ đơn giản nhân sai số với một hằng số để tính toán đầu ra tiếp theo của nó
Thông tin bài viết
Bộ điều khiển đạo hàm tích phân theo tỷ lệ (PID) được sử dụng rộng rãi trong thực tế công nghiệp từ sáu thập
kỷ qua Việc phát minh ra điều khiển PID là vào năm 1910 (phần lớn nhờ vào chế độ lái tự động trên tàu của Elmer Sperry)
và quy tắc điều chỉnh Ziegler-Nichols (ZN) đơn giản vào năm 1942 [1] Ngày nay, PID được sử dụng trong hơn 90% hệ thống điều khiển thực tế, từ thiết bị điện tử tiêu dùng như máy ảnh đến các quy trình công nghiệp như quy trình hóa học Bộ điều khiển PID giúp đạt được đầu ra của chúng ta (vận tốc, nhiệt độ, vị trí) ở nơi chúng ta muốn, trong thời gian ngắn, với độ vọt lố tối thiểu và ít lỗi [2] Nó cũng là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong ngành do chi phí tốt và mang lại lợi ích cho ngành [3] Nhiều quá trình phi tuyến tính có thể được điều khiển bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID nổi tiếng và đã được chứng minh trong công nghiệp [4] Yêu cầu tăng hiệu suất trực tiếp đáng kể (lợi ích tài chính) khi thay thế một hệ thống điều khiển thông thường bằng một hệ thống tiên tiến [4] Chi phí bảo trì của một giải pháp kiểm soát thông thường không đầy đủ có thể ít rõ ràng hơn
Hệ thống bể ghép Lịch sử bài viết:
Hệ thống sử dụng Matlab Thiết kế bộ điều khiển PID cho hai bồn chứa Điều khiển mức chất lỏng
Mô phỏng được thực hiện trong môi trường MATLAB để xác minh hiệu suất của hệ thống
về Thời gian tăng (Ts), Thời gian ổn định (Ts), Lỗi trạng thái ổn định (SSE) và Overshoot (OS) Phương pháp điều chỉnh thử và sai sẽ được thực hiện và tất cả các kết quả hoạt động sẽ được phân tích bằng MATLAB Người ta đã chứng minh rằng hiệu suất của CTS có thể được cải thiện bằng kỹ thuật thích hợp của các phương pháp điều chỉnh PID.
Đã đăng ký Bản quyền Bản quyền © 2015 Viện Khoa học và Kỹ thuật Tiên tiến.
Ứng dụng công nghiệp của Hệ thống bể chứa ghép nối (CTS) được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp xử lý hóa chất Việc kiểm soát mức chất lỏng trong bồn và lưu lượng giữa các bồn là một vấn đề nan giải trong quá trình công nghệ Các quy trình công nghệ yêu cầu chất lỏng phải được bơm, chứa trong các bể chứa, sau đó được bơm sang bể khác một cách có hệ thống Bài báo này trình bày sự phát triển của bộ điều khiển Proportional-Integral-Derivative (PID) để điều khiển mức chất lỏng mong muốn của CTS Các kỹ thuật truyền thống khác nhau của phương pháp điều chỉnh PID sẽ được thử nghiệm để thu được các thông số của bộ điều khiển PID.
**
Trang 2Mục tiêu của bộ điều khiển trong điều khiển mức là duy trì điểm đặt mức ở một giá trị nhất định và có thể chấp nhận các giá trị điểm đặt mới một cách linh hoạt
(1)
(3)
Chức năng của bộ điều khiển PID là duy trì đầu ra ở mức không có sự khác biệt (lỗi)
(5)
Hình 1 Sơ đồ khối của hai bình chứa chất lỏng tương tác
Và
Lấy biến đổi Laplace ở cả hai vế của phương trình (4) thì:
1
Xem xét quá trình bao gồm hai bể chứa chất lỏng tương tác trong Hình 1 Lưu lượng thể tích vào bể1 là qin(cm3 /phút), tốc độ dòng thể tích từ bể1 sang bể2 là q1(cm3 /phút) và tốc độ dòng thể tích từ bể2 là qo(cm3 /phút) Độ cao của mực chất lỏng là h1 (cm) ở bể1 và h2 ở bể2 (cm)
(2)
Bài báo này xem xét việc thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống bình ghép bằng phần mềm MATLAB Phần mềm này được sử dụng để tạo mô hình simulink cho Bộ điều khiển PID và hiệu suất của từng tham
số cho Bộ điều khiển PID đã được mô phỏng Hiệu suất của Bộ điều khiển PID được đánh giá theo độ vọt lố, thời gian tăng và lỗi trạng thái ổn định Sau đó, mức tăng của từng tham số cũng sẽ được điều chỉnh trong phần mềm này và tính hợp lệ của từng tham số sẽ được so sánh bằng cách sử dụng giá trị tham chiếu (điểm đặt)
Hoặc
nương
giữa biến quá trình và điểm đặt trong phản ứng nhanh nhất có thể
Hai bể có cùng diện tích tiết diện ngang nên diện tích bể 1 là A1 (cm2 ) và diện tích bể 2 là A2 (cm 2 )
cho bể 1
ISSN: 2088-8708
2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG BỒN KHỚP
(6) Giả sử lực cản tuyến tính đối với dòng chảy ta có:
437
Trang 3_
.
R2 H2
A1 R1 H1 A2
Để cho thấy sự tiện lợi của việc sử dụng gói phần mềm MATLAB/SIMULINK như một công cụ để mô phỏng
và phân tích hoạt động của hệ thống điều khiển mức chất lỏng hai bể, các mô phỏng được tiến hành từng bước
chúng ta phải hủy h1(s) trong phương trình (5) & (10)
(11) cho bể 2
6,25
(7)
0
(12)
OTHER _
1
(số 8)
3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
1
Lấy biến đổi Laplace hai vế của phương trình (10) ta có:
Sử dụng các giá trị của các Tham số được hiển thị trong bảng 1, chúng tôi đã điều khiển hàm truyền cuối cùng của hệ thống như sau:
(9)
,
Về bản chất, thiết kế hệ thống kiểm soát mức chất lỏng được định hướng rất toán học và nếu không sử dụng
sự trợ giúp của máy tính, hầu hết các vấn đề thiết kế đều rất tẻ nhạt và trở nên khá dài dòng Chương trình máy tính, chẳng hạn như Matlab đã trở thành một công cụ vô giá trong môi trường kỹ thuật
0,01
Để có được
nương
1 1
pee
7,5
Hệ thống được mô phỏng và kết quả được trình bày trong phần sau
(14)
(10)
1
1
(13)
Giả sử lực cản tuyến tính đối với dòng chảy, chúng ta có:
1
Bảng 1 Giá trị thông số cho 2 bể Giá trị Đơn vị
cm2 250 cm2 250 Cm2 /giây 0.01 Cm2 /giây 0.01 30 15
cm cm Thông số
Trang 4ISSN: 2088-8708 3.1 Kết quả mô phỏng không có bộ điều khiển
Có thể quan sát thấy rằng từ hình 2, chất lỏng sẽ liên tục tràn ra ngoài Tình trạng này xảy ra do
hệ thống này hoạt động mà không có bộ điều khiển để điều khiển tốc độ Bơm nên Bơm sẽ liên tục bơm chất lỏng
ra khỏi bể cho đến khi tràn ra ngoài Bộ điều khiển PID phải được thêm vào để kiểm soát mức chất lỏng
Hình 2 Hoạt động của hệ thống bình ghép không có bộ điều khiển
Một Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID:
Trong phần này, kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID đã được trình bày và phương pháp điều chỉnh
bộ điều khiển Hình 3 cho thấy hiệu suất của hệ thống với bộ điều khiển tỷ lệ Điểm đặt được đặt bằng 1 và
độ lợi tỷ lệ được đặt bằng 20 Biểu đồ cho thấy bộ điều khiển tỷ lệ đã giảm cả thời gian tăng và lỗi trạng thái ổn định Bộ điều khiển tỷ lệ cũng tăng độ vọt lố và giảm thời gian ổn định một lượng nhỏ
Trang 5Hình 4 Hiệu suất của hệ thống bể ghép với bộ điều khiển tích phân Plus tỷ lệ.
Hình 5 cho thấy hiệu suất của bộ điều khiển tích phân tỷ lệ Điểm đặt được đặt bằng 1 Độ lợi tỷ lệ được đặt bằng 20 và độ lợi tích phân được đặt bằng 12 Biểu đồ cho thấy bộ điều khiển tích phân đó
Hình 3 Hiệu suất của hệ thống bể ghép với bộ điều khiển tỷ lệ
Hình 4 cho thấy hiệu suất của hệ thống với bộ điều khiển đạo hàm cộng tỷ lệ Điểm đặt được đặt bằng 1
Độ lợi tỷ lệ được đặt bằng 20 và độ lợi đạo hàm được đặt bằng 10 Biểu đồ này cho thấy bộ điều khiển đạo hàm giảm cả độ vọt lố và thời gian ổn định nhưng có ảnh hưởng nhỏ đến thời gian tăng và lỗi trạng thái
ổn định
Trang 6cũng giảm thời gian tăng, tăng độ vọt lố giống như bộ điều khiển tỷ lệ thực hiện Bộ điều khiển tích hợp cũng loại bỏ lỗi trạng thái ổn định
Hình 6 Hiệu suất của hệ thống bể ghép nối với bộ điều khiển tích phân cộng đạo hàm cộng tỷ lệ
thuận
Hình 5 Hiệu suất của hệ thống bể ghép với bộ điều khiển đạo hàm Plus tỷ lệ 441
Hình 6 cho thấy hoạt động của hệ thống với Bộ điều khiển PID Điểm đặt được đặt bằng 1 Độ lợi tỷ lệ được đặt bằng 12, độ lợi tích phân được đặt bằng 4 và độ lợi đạo hàm được đặt bằng 7 để mang lại phản hồi mong muốn Biểu đồ cho thấy đầu ra đạt được giá trị điểm đặt tại thời điểm bằng 12 giây Đầu ra hơi vọt trước khi ổn định ở thời gian bằng 20 giây
ISSN: 2088-8708
Trang 74 KẾT LUẬN
Bài báo này trình bày mô phỏng điều khiển mức chất lỏng trong hệ thống hai bồn với các bộ điều khiển khác nhau như Đạo hàm tỷ lệ-tích phân (PID) Các kỹ thuật thông thường khác nhau của phương pháp điều chỉnh PID đã được thử nghiệm để thu được các thông số của bộ điều khiển PID Mô phỏng được thực hiện trong môi trường MATLAB để xác minh hiệu suất của hệ thống về Thời gian tăng, Thời gian ổn định, Lỗi trạng thái ổn định và Vượt quá Hệ thống mức chất lỏng được điều khiển bằng bộ điều khiển P, PI, PD và PID đơn giản
Hình 7 Hiệu suất của hệ thống bể ghép nối với bốn loại bộ điều khiển
Do đó có thể kết luận rằng bộ điều khiển PID là bộ điều khiển hiệu quả nhất giúp loại bỏ độ lệch của chế độ tỷ lệ mà vẫn cung cấp đáp ứng nhanh Đó là lý do tại sao bộ điều khiển PID đã được chọn
Từ kết quả mô phỏng ở hình (2, 3, 4, 5, 6 & 7) có thể kết luận rằng bộ điều khiển PID loại bỏ được độ lệch của chế độ tỷ lệ mà vẫn cho đáp ứng nhanh Điều này có thể được sử dụng cho hầu hết mọi điều kiện quy trình bao gồm cả điều khiển mức chất lỏng này Bộ điều khiển PID là một trong những hoạt động của chế
độ điều khiển mạnh mẽ nhưng phức tạp nhất kết hợp các chế độ tỷ lệ, tích phân và đạo hàm Hệ thống này có thể được sử dụng cho bất kỳ điều kiện quy trình nào bao gồm kiểm soát mực nước trong bể Mực nước có thể được kiểm soát liên tục mà không cần điều chỉnh van thủ công Các thuật toán PID sẽ tự động đáp ứng để
hệ thống ổn định gần điểm đặt
Có thể nói thêm rằng do hoạt động của tham số Tỷ lệ, kết quả biểu đồ sẽ phản ứng với một bước thay đổi rất nhanh Do hoạt động của tham số Tích phân, hệ thống có thể trở về giá trị điểm đặt
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Swder, G.Wszoek, W.Carvalho, Programmable controller design Electropneumatic Systems, Journal of Material Processing Technology 164-1655 (2005) 14659-1465
[2] Aurelio Piazzi and Antonio Visioli, A Noncausal Approach for PID kiểm soát, Tạp chí Kiểm soát Quy trình, ngày 4 tháng 3 [3] Carl Knopse, Biên tập khách mời, Điều khiển PID, Tạp chí Hệ thống điều khiển IEEE, tháng 2 năm 2006.
2006.
[5] S Song, L Xie và Wen-Jim Cai, “Auto-tuning of Cascade Control Systems” IEEE Proceedings of the 4th world Congress on Intelligent Control and Automation, 10-14 tháng 6 năm 2002, Shanghai, PR China, trang 3339-3343.
[7] K Passino, “Thu hẹp khoảng cách giữa điều khiển thông thường và điều khiển thông minh”, Số đặc biệt về Điều khiển thông minh, Tạp chí Hệ thống Điều khiển IEEE, tập 13 tháng 6 năm 1993, trang 12–16
[4] S Bennett, “Phát triển bộ điều khiển PID,” IEEE Contr hệ thống Tạp chí, tập Ngày 13 tháng 12 năm 1993, trang 58–65.
[6] K Passino, “Hướng tới thu hẹp khoảng cách nhận thức giữa điều khiển thông thường và điều khiển thông minh”, trong Điều khiển thông minh: Lý thuyết và ứng dụng, IEEE Press, 1996, ch 1, trang 1–27 Gupta, MM và Sinha, NK biên tập.
