Bài giảng các bộ điều khiển DCS yokogawa

Điều khiển phản hồi Feedback Control Khái niệm: Là khái niệm điều khiển dựa trên nguyên tắc liên tục đo hoặc quan sát giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển

Trang 1

Các thuật toán điều khiển tiêu biểu

z Điều khiển phản hồi Feedback Control

z Điều khiển nối tầng Cascade Control

z Điều khiển Tỉ lệ Ratio Control

z Điều khiển Feedforward

z PID và chỉnh định PID

Trang 2

Điều khiển phản hồi (Feedback Control)

Khái niệm:

Là khái niệm điều khiển dựa trên nguyên tắc liên tục đo (hoặc quan sát) giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển.-> Hay còn được gọi là điều khiển vòng kín.

Cấu trúc điều khiển:

w: Đầu vào quá trình

z: Đầu ra quá trình

y: Đầu vào bộ điều khiển

u: Các tín hiệu điều khiển

Mô hình quá

trình

Bộ điều khiển

z w

Trang 3

Ví dụ: Điều khiển quá trình trao đổi nhiệt

Điều chỉnh lưu lượng hơi nóng (biến điều khiển) dựa trên

sai lệch giữa nhiệt độ dầu ra (biến được điều khiển) vàgiá trị đặt (SP)

Trang 4

Đánh giá :

Ưu điểm: Có khả năng ổn định cao,loại bỏ

nhiễu bất định, Bền vững với sai lệch mô hình.

Nhược điểm: Tác động chậm, ảnh hưởng của

nhiễu, cần sử dụng thêm cảm biến

Ứng dụng :

Được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, và

thường kết hợp với điều khiển truyền thẳng

để bù nhiễu, cải thiện tốc độ

Trang 5

Điều khiển nối tầng (Cascade)

Khái niệm :

Là dạng mở rộng của cấu trúc điều khiển vòng đơn, giúp loại bỏ một phần ảnh hưởng của nhiễu, cải thiện tốc độ

chiến lược điều khiển khác nhau như

Trang 6

Cấu trúc :

Cấu trúc nối tiếp (cấu trúc truyền thống)

Cấu trúc song song (khống chế đầu vào)

Trang 7

Ví dụ : Điều khiển buồng trao đổi nhiệt

Để triệt tiêu sớm ảnh hưởng của nhiễu ta sử dụng

một vòng điềuchỉnh lưu lượng phíatrong trong, sử dụngthêm một đại lượng

đo lưu lượng

Trang 8

Đánh giá:

nhiễu,giảm độ quá điều chỉnh,cải thiện tính ổn định và nâng cao tính bền vững của hệ kín

Trang 9

Ứng dụng :

yêu cầu chất lượng

biến quá trình thứ hai (có liên quan tới biến thứnhất)

hưởng của nhiễu khó đo được

biến được điều khiển thứ hai

đặc tính động học của biến thứ nhất

Trang 10

Điều khiển Tỉ lệ (Ratio Control)

Khái niệm:

hai biến nhằm điều khiển gián tiếp một biến thứ ba => thực chất là một dạng điều khiển truyền thẳng.

Trang 11

Cấu trúc:

Trang 12

Ví dụ : Điều khiển quá trình trao đổi nhiệt

Trang 13

Đánh giá :

Ưu điểm: giúp đơn giản hóa các bài toán phi

tuyến

Nhược điểm: tính phi tuyến của mô hình(1), giá

trị đặt thường thay đổi liên tục không biết trước(2)

Ứng dụng:

Giải quyết các bài toán phi tuyến, thay vì phải

tuyến tính hóa xấp xỉ mô hình hoặc sử dụng các

bộ diều khiển phi tuyến phức tạp.

Thiết kế cấu trúc đơn biến cho quá trình đa biến

được đơn giản, giảm thiểu tương tác chéo giữa các vòng điều khiển.

Trang 14

Điều khiển Feed-forward

Khái niệm:

Là quá trình điều khiển trong đó số biến nhiễu quá trình được đo và đưa tới bộ điều khiển hoặc tín hiệu giữa các quá trình tác động trực tiếp qua lại lẫn nhau Dựa vào giá trị đo được cùng với giá trị đặt, bộ điều khiển tính toán và đưa ra giá trị cho biến điều khiển Chính vì thế phương pháp này cho phép bù nhiễu nếu nhiễu biết trước.

Cấu trúc điều khiển:

Bộ điều khiển truyền thẳng

Quá trình

Biến điều khiển

Biến cần điều khiển

Biến chủ đạo (giá trị đặt)

Nhiễu quá trình Tín hiệu từ quá

trình tương tác

Trang 15

Điều khiển Feed-forward

Ví dụ : điều khiển áp suất chân không

buồng đốt hay áp suất bao hơi:

Áp suất hơi Lưu lượng hơi lò 1 Lưu lượng hơi lò 2

Trang 16

Điều khiển Feedforward

Đánh giá :

Ưu điểm:

Bù được các nhiễu đã được tính toán

Đáp ứng nhanh hơn và chính xác hơn

Thích hợp điều khiển tác động qua lại lẫn nhau, điều

chỉnh đối tượng cần giữ ở một giá trị ổn định.

hàm feedforward khá phức tạp.

Ứng dụng :

Giải quyết các bài toán phi tuyến, thay vì phải tuyến tính

hóa xấp xỉ mô hình hoặc sử dụng các bộ diều khiển phi tuyến phức tạp.

Thiết kế cấu trúc đơn biến cho quá trình đa biến được đơn

giản, giải quyết vấn đề tương tác chéo giữa các vòng điều khiển.

Thường ứng dụng nhiều vào điều khiển giữ ổn định lưu

lượng, nhiệt độ, áp suất cho quá trình.

Trang 17

Điều khiển PID

hiện nay

Trang 18

Điều khiển PID

Thuật toán PID tính toán liên tục tác động

điều chỉnh u(t) nhằm mục đích đạt được sai lệch e(t) = 0

Trang 19

k

K )

s ( W lim )

t ( h

lim

p

p xy

s

t→ ∞ = → 0 = 1+

k K

k )

s ( W lim )

t ( h

lim

p

fy s

t→ ∞ = → 0 = 1 +

Trang 20

CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI PID

K )

s ( W lim )

t ( h

lim

p

p xy

s t

p p

fy s

t K k K

k )

s ( W lim )

t ( h

( s

e

k W

s dt

1 +

= −τ

Trang 22

Trang 23

tính-CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI PID

Bộ điều khiển tích phân (I):

s e

k dt

K )

s ( W lim )

t ( h

lim

i

i xy

s t

t

Trang 24

Bộ điều khiển tích phân (I):

Trang 25

Bộ điều khiển vi phân (D):

k

k )

s ( W lim )

t ( h

=

s T

s

K )

s (

R

d d D

Trang 26

k

K )

s ( W lim )

t ( h

lim

d

d xy

t ( h

s t

) Ts

( s

e

k W

s dt

1 +

= −τ

Trang 27

Khuyếch đại nhiễu loạn

Chất lượng điều chỉnh kém, dễ gây mất ổn định

Không thể sử dụng đơn độc

Trang 28

Điều khiển PI

τI: thời gian tích phân (giây, phút)

τI càng nhỏ, đóng góp của thành phần tích phân trong tổng tác động càng lớn

Trang 29

Trang 30

Trang 31

Trang 32

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -2

0 2 4 6 8 10 12

P-action steps controller initially

I-action continues to increase controller output

process response

controller output

Trang 33

Loại trừ được sai lệch tĩnh

Tương tác giữa 2 tham số điều chỉnh

Thành phần I gây ra dao động, giảm độ

ổn định

Đây là loại bộ điều chỉnh được dùng rộng rãi nhất trong họ PID

Trang 34

Trường hợp

cơ bản

Trang 35

Các đối tượng có đặc tính quán tính hoặc

đặc tính quán tính tích phân với thời gian trễ tương đối nhỏ.

Áp dụng đối với hệ hở, có thế tách rời các

bộ điều khiển khỏi hệ thống

Trang 36

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH PID

Phương pháp Ziegler nichols 1

Cách tiến hành :

Cho tác động tín hiệu vào la xung step

Xác định tín hiệu ra có dạng gần với khâu

quán tính bậc 1 có trễ

Xác định các tham số T và τ bằng cách kẻ

tiếp tuyến tại điêm uốn

Tính toán các tham số của bộ PID theo

bảng

( )

Trang 38

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH PID

Phương pháp Ziegler nichols 1

(Phương pháp đặc tính đáp ứng bậc thang )

Áp dụng cho một dải rông quá trình công

nghiệp, kể cả một số quá trình không ổn định.

Áp dụng cho hệ kín không thể tách rời bộ

điều khiển ra khỏi hê thống.

Trang 39

Thay đổi thành phần Kp sao cho hệ thống

ở trên biên giới ổn định

Xác định các tham số Tth và Kmax bằng thực

nghiệm

Tính toán các tham số của bộ PID theo

bảng

Trang 41

CÁC ĐỊNH HƯỚNG CHỈNH ĐỊNH PID

Chỉ tiêu chất lượng Thay đổi tham số

Thời gian đáp ứng Giảm Giảm ít Giảm ít

Thời gian quá độ Thay đổi ít Giảm Thay đổi ít

Độ quá điều chỉnh Tăng Tăng Giảm ít

Hệ số tắt dần Thay đổi ít Tăng Giảm

Sai lệch tĩnh Giảm Triệt tiêu Thay đổi ít

Tín hiệu điều khiển Tăng Tăng Tăng

Độ dự trữ ổn định Giảm Giảm Tăng

Bền vững với nhiễu

Trang 42

ỨNG DỤNG PID TRONG MỘT SỐ VÒNG ĐIỀU KHIỂN

Điều khiển lưu lượng

Quá trình và các cảm biến lưu lượng đều đáp ứng nhanh, đặc tính động học của vòng kín được quyết định bởi đặc tính của van điều khiển(cơ cấu chấp hành)

->Thường sử dụng bộ điều khiển PI

FT

FC Flow

Setpoint

Trang 43

Điều khiển mức

Đặc tính động học của cảm biến và cơ cấu chấp hành nhanh hơn so với quá trình, quá trình có tính tích phân (I) ->Sử dụng bộ điều khiển P (hoặc PI nếu có yêu cầu cao vê độ

Trang 44

Điều khiển áp suất khí

Đặc tính động học của quá trình và cảm biến nhanh hơn so với cơ cấu chấp hành, quá trình có tính tích phân , yêu cầu cao về độ chính xác và tính an toàn

->Sử dụng bộ điều khiển PI (hằng số thời gian tích phân nhỏ).

Trang 45

Điều khiển nhiệt độ

Đặc tính động học của quá trình và cảm biến chậm hơn so với cơ cấu chấp hành, quá trình có dao động, biến đổi chậm, ít chịu ảnh hưởng của nhiễu quá trình->Sử dụng bộ điều khiển PI (hoặc PID nếu đòi hỏi đáp

úng nhanh)

RSP TT

FC

Gas FT

Process Stream

Trang 46

Điều khiển thành phần

Tương tự với điều khiển nhiệt độ , Quá trình biến đổi chậm hơn so với cảm biến và cơ cấu chấp hành

->Sử dụng bộ điều khiển PI hoặc PID hoặc có thể các

thuật toán cao cấp

Định dạng
Số trang	46
Dung lượng	651,83 KB