tóm tắt luận văn thạc sĩ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI, ỨNG DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

QuaDo đó vấn đề về điều khiển quá trình cần thiết, cần được nghiên cứu Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiểnPID được sử dụ

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 và Tự động hóa

Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái nguyên – 2015

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 được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Kỹ thuật họp tại

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

- Trễ quá trình: vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng lượng một cách liên tục Qua

Do đó vấn đề về điều khiển quá trình cần thiết, cần được nghiên cứu

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiểnPID được sử dụng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp.Trong nhiều báo cáo đưa ra con số thống kêhơn 90% bài toán điều khiển công nghiệp được giải quyết bằng bộ điều khiển PID Tuy nhiên với phươngpháp điều khiển kinh điển ta phải biết chính xác về tham số của đối tượng hoặc mô hình hóa tương đối chitiết của đối tượng cho nên trong quá trình làm việc, nếu tham số đối tượng thay đổi thì hệ thống có thể mất

ổn định hoặc chất lượng điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu

Vì vậy, việc nghiên cứu “Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi, ứng dụng nâng cao chất lượng hệđiều khiển quá trình” là cần thiết và cần được tập trung nghiên cứu để đáp ứng tốt chất lượng điều khiển cácquá trình Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình

Chương 2: Thiết kế bộ PID điều khiển quá trình

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.1.1 Khái niệm về quá trình và điều khiển quá trình

- Đặc điểm của các quá trình.

Đặc điểm cơ bản của các quá trình là các thông số đặc trưng cho các quá trình là những đại lượng biếnthiên chậm, liên tục, có quán tính lớn và diễn ra trong thời gian dài (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,mức…)

Các quá trình thường là những hệ phi tuyến có cấu trúc phức tạp, khó mô hình hoá hoặc có phầnkhông thể mô hình hoá được và trong quá trình làm việc tham số đặc trưng cho quá trình thay đổi và hệ chịunhiễu tác động

- Điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là việc thu thập, xử lý các thông tin để điều khiển, vận hành và giám sát các quátrình, nhằm đảm bảo chất lượng ra của quá trình đáp ứng các yêu cầu đặt trước

1.1.2 Vai trò của điều khiển quá trình trong công nghiệp.

Điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình sản xuất, nó quyết định chấtlượng, năng suất và giá thành sản phẩm

Mục đích của hệ thống điều khiển quá trình là làm sao để hệ hoạt động mang tính logic và tin cậy.Trong thực tế quá trình diễn ra ở nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật, xã hội, đời sống, quản lý … Conngười đã điều khiển các quá trình trên bằng bằng nhiều quy luật khác nhau tuỳ thuộc từng lĩnh vực Trong xãhội và đời sống các quá trình được điều khiển bằng bằng các luật, các quy định Trong sản xuất công nghiệpngười ta điều khiển bằng các thiết bị điều khiển như khí nén, thuỷ lực, điện tử … với những quy luật điềukhiển phù hợp như PID, Điều khiển mờ, Điều khiển thích nghi …

1.1.3 Nhiệm vụ của điều khiển quá trình trong công nghiệp

Điều khiển quá trình là thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các thông số của quá trình với nhiệm vụ :

- Điều khiển các biến vào của quá trình một cách hợp lý để biến ra của quá trình thỏa mãn các chỉ tiêucho trước Các chỉ tiêu này được xác định từ yêu cầu công của quá trình

- Nâng cao chất lượng của sản phẩm, năng suất sản xuất và giảm giá thành sản phẩm

- Theo dõi và giám sát chặt chẽ các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạtđộng của các thành phần trong hệ thống

1.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển quá trình.

Tùy theo yêu cầu của quá trình cần điều khiển và mức độ tự động hóa, các hệ điều khiển quá trìnhcông nghệ có thể đơn giản hoặc phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết

bị chấp hành và thiết bị điều khiển

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình trên hình 1.1

U(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng qua cơ cấu chấp hành

Y(t): Tín hiệu đầu ra của hệ thống, là đại lượng được điều chỉnh

C(t): Tín hiệu phản hồi

1.2.2 Các phần tử trong hệ điều khiển quá trình

1.2.2.1 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là bộ phận thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển u(t)tác động vào đối tượng, nhằm điều khiển được lượng ra của đối tượng thoả mãn theo yêu cầu Mặc dù cácthuật ngữ “thiết bị điều khiển” và “bộ điều khiển” trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương đồng Tuynhiên tùy theo nghĩa cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộđiều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển

Thiết bị chấp hành là phần tử nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biếnđiều khiển Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển được gọi là phần tử điều khiển

Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió.Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹthuật Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấudẫn động và phần tử điều khiển Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng(cơ hoặc nhiệt), phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một 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 là bộ điều khiển sử dụng luật

điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - vi phân (D) và các tín hiệu vào/ra của bộ điều khiển là tín hiệu tương tự(analog) Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển nàylàm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phituyến thấp Bộ điều khiển PID tương tự đã và đang được sử dụng để điều khiển các đối tượng SISO bởi vìtính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc

Bộ điều khiển PID tương tự là cầu trúc ghép song song của ba điều khiển : điều khiển tỷ lệ (P) - tíchphân (I) - vi phân (D)

1.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ P

Bộ điều chỉnh tỉ lệ là thiết bị tạo tín hiệu điều khiển u P (t)tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t)

Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tỉ lệ

e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch về 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 của tín hiệu sai lệch e(t)Phương trình vi phân : u I(t)K I.e(t)dt (1.1)

Cơ cấu chấp hành

Phần tử tác động

Đầu ra của bộ

Thiết bị chấp hành

PK

Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tích phân

e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch về 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 khiểnu D (t) tỉ lệ với vi phân của tín hiệu sai lệc e(t)

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh vi phân

e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch về tín hiệu điều khiển)

u(t) : tín hiệu ra, tác động lên đối tượng điều khiển

Phương trình vi phân :

dt

t de K t

1.3.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI

Trong thực tế không bao giờ người ta dùng bộ điều khiển I độc lập, vị khi đó sẽ kéo dài thời gian điềukhiển và hệ sẽ dễ mất ổn định

Xuất phát từ quan điểm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu loạn, tăng hệ số khuếch đại của hệ thống ởvùng tần số thấp, giảm sai số ớ chế độ xác lập và không làm thay đổi đánh kể các đặc tính ở miền tần số cao,người ta sử dụng bộ điều khiển PI

Quy luật PI là sự kết hợp của hai quy luật P và I được mô tả bằng phương trình vi phân sau :







t I

P e t K e t dt K

t u

0)()

(.)

1.3.1.5 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID tương tự là cầu trúc ghép song song của ba khâu P, I, D, được mô tả bằng hình 1.8Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển PID được mô tả bằng phương trình :

dt

t de K dt t e K t e K t

t I P

)()

()

(.)

Hình 1.8 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID tương tự

s

K K s E

s U s

)(

)()

Quy luật PID có ba tham số hiệu chỉnh Km, KI, KD Xét ảnh hưởng của ba tham số ta thấy:

- Khi KD = 0 và TI = ∞ quy luật PID trở thành quy luật P

- Khi KD = 0 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) và tín hiệu xuất ra (đến cơ cấu chấp hành)được số hóa và bản thân luật PID được xử lý dựa trên nền tảng vi xử lý thực hiện rời rạc, tuy nhiên tốc độ lấymẫu và xử lý tín hiệu rất nhanh

Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay được xây dựng trên nền máy tính số, vì thế thuật toánPID cũng được biểu diễn dưới dạng phù hợp cho việc lập trình cài đặt

Thuật toán PID số được xây dựng bằng cách gián đoạn thuật toán PID liên tục

Hình 1.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID số

1.3.3 Bộ điều khiển PID thích nghi

Sơ đồ cấu trúc của bộ PID Thích nghi trên hình 1.10

- Phân tích làm rõ vai trò quan trọng của hệ điều khiển quá trình trong thực tế, đặc biệt trong sản xuấtcông nghiệp Tìm hiểu những đặc điểm của các quá trình và yêu cầu của các quá trình đối với hệ thống điềukhiển cần phải thoả mãn, làm cơ sở cho việc lựa chọn các hệ điều khiển sau này

- Tìm hiểu cấu trúc của hệ điều khiển quá trình, nguyên lý làm việc, các lượng vào, lượng ra của quátrình và các thông số đặc trưng cho quá trình, các phần tử cơ bản của hệ thống và đề xuất hướng giải quyết

về điều khiển các quá trình trong sản xuất công nghiệp

- Phân tích phạm vi sử dụng của các bộ điều khiển PID, PID số, PID thích nghi Chỉ ra những ưu,nhược điểm của bộ điều khiển PID khi điều khiển các quá trình và hướng khắc phục những nhược điểm.Trên cơ sở các ưu nhược điểm của các bộ điều khiển và đặc điểm công nghệ của quá trình cần điều khiển,lựa chọn giải pháp nâng cao chất lượng của hệ điều khiển quá trình cụ thể Đề xuất giải pháp ứng dụng vàonâng cao chất lượng điều khiển và ổn định áp suất bao hơi

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 2.1 LỰA CHỌN VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRÌNH

2.1.1 Lựa chọn đối tượng điều khiển

Trong quá trình sản xuất công nghiệp, điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu, nó quyếtđịnh chất lượng, năng suất và giá thành sản phẩm Đồng thời quá trình điều khiển tự động, hạn chế việc thamgia trực tiếp của con người vào quá trình điều khiển, cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động và giảmthiểu được những ảnh hưởng xấu của quá trình công nghệ đối với con người và môi trường xung quanh.Trong công nghiệp có rất nhiều quá trình cần được điều khiển như quá trình sản xuất xi măng, vật liệu xâydựng, các nhà máy sản xuất hoá chất, sản xuất linh kiện, thiết bị, sản xuất điện năng

Để phù hợp với điều kiện cụ thể của cơ sở đào tạo tôi lựa chọn mô hình lò hơi là đối tượng để khảo sát

và quá trình cần điều khiển ở đây là quá trình ổn định áp suất của lò hơi Trong phòng thí nghiệm của trườngĐại học Kỹ thuật công nghiệp, hiện có mô hình vật lý của quá trình này và được sử dụng để đánh giá chấtlượng điều khiển bằng thực nghiệm

2.1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bình bao hơi.

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình H 2.1:

x(t) : lượng đặt xác định điểm làm việc của quá trình điều khiển

y(t) : lượng ra của quá trình, được xác định từ yêu cầu công nghệ

QT : Quá trình được điều khiển

CH : cơ cấu chấp hành là phần tử tác động trực tiếp vào biến cần điều khiển

ĐK : thiết bị điều khiển có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển

TBĐ : Thiết bị đo làm nhiệm vụ xác định các tín hiệu tỷ lệ với các đại lượng cần đo

Hình 2.1 : Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình

Để xác định được tham số của bộ điều khiển, cần phải nhận dạng được đối tượng điều khiển, cơ cấuchấp hàng và thiết bị đo

2.1.3 Mô tả toán học cho đối tượng

Mô tả toán học của đối tượng là đưa đối tượng về một dạng mô hình toán nào đó Mô hình là một

hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cầnphải xây dựng Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích

sử dụng Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép thực hiện được một số

nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực Mô hình giúp cho việcphân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưagiải pháp vào triển khai.

2.1.4 Xây dựng hàm truyền cho các thành phần của hệ thống

2.1.4.1 Thiết bị đo

a Cấu trúc

Thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kỹ thuật và biến đổinhững thông tin về quá trình thành một tín hiệu chuẩn ở đầu ra (xác định được giá trị bằng các tín hiệu đochuẩn như dòng điện, điện áp… ) Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình được minh họa như trên hình

Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo

b Đặc tính động học

Khi giá trị đại lượng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ phụ thuộc vào giá trị đầuvào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị đo Tuy nhiên tín hiệu đầu ra sẽ không thể đáp ứngngay với sự thay đổi tương đối nhanh của đại lượng đo Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đạilượng đo và biến thời gian được gọi là đặc tính động học của thiết bị đo Đặc tính động học của hầu hết cácthiết bị đo có thể được mô tả được mô tả bằng một phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai Coi đặc tínhcủa thiết bị đo là tuyến tính coi động học của nó có thể được biểu diễn với một khâu quán tính bậc nhất:

   

k s x

s y s

Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dòng điện-khí nén (I/P)

Bộ chuyển đổi I/P được chọn là PK200 của hãng YOKOGAWA có tín hiệu đầu vào là dòng điện I: 4

 20mA và tín hiệu đầu ra là áp suất khí nén P: 0,2  1KG/cm2

Như vậy, thiết bị này có hàm truyền là một khâu khuyếch đại với hệ số khuyếch đại K được xác địnhnhư sau:

2,01

2.1.4.2 Thiết bị chấp hành

Một hệ thống thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều khiển Trong các hệ thống điềukhiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểunhất 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 cơ học, có nghĩa là khi không

có tín hiệu điều khiển thì van hoặc phải đóng hoàn toàn hoặc phải mở hoàn toàn để ngăn chặn nguy cơ sảy ratai nạn

Van đóng an toàn có độ mở van lớn hơn khi tín hiệu điều khiển tăng Lưu ý khái niệm ‘chiều tácđộng’ của bản thân van điều khiển được định nghĩa trong các tài liệu chuẩn dựa theo chiều chuyển động củachốt van Chiều tác động thuận được định nghĩa là độ mở van tăng lên khi tín hiệu điều khiển tăng Nếu vanđược xác định là tốt thì quan hệ giữa lưu lượng ra và độ mở van có thể được coi là tuyến tính Trong thực tếhàm truyền của van thường được coi là khâu quán tính bậc nhất có trễ, lấy gần đúng thì xem là khâu quántính bậc nhất:

 

s T

K s

G

v

V V



 1

Trong đó:

V

v

T : thời gian trễ của van, thường lấy T = 25 ms = 0,025s

Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0,2  1KG/cm2 thì độ mở của van thay đổi từ 0  80%, khi đó hệ sốkhuyếch đại được xác định như sau:

Khi độ mở của van thay đổi từ 5  80% thì lưu lượng nước qua van thay đổi từ 0  40 T/h Từ đó

hệ số truyền của sự liên hệ giữa lưu lượng nước qua van và độ mở của van là:

m

Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra

là lưu lượng nước cấp thông qua cơ cấu van:

%025

.01

50

2

h T cm KG s s

Hình 2.6: Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều khiển