Xây dựng mô hình thí nghiệm kiểm nghiệm thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển quá trình trong hệ độ trễn lớn

Xây dựng mô hình thí nghiệm kiểm nghiệm thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển quá trình trong hệ độ trễn lớn Xây dựng mô hình thí nghiệm kiểm nghiệm thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển quá trình trong hệ độ trễn lớn luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG

H Ệ ĐỘ TRỄ LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS NGUYỄN HỒNG QUANG

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án thạc sỹ với đề tài: “Xây dựng mô hình thí nghiệm

ki ểm nghiệm thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển quá trình trong hệ

độ trễ lớn” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Hồng

Quang Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực

Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận án, tôi đảm bảo rằng không sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác Nếu phát hiện có sự sai

phạm với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Học viên

Ngô Minh Tu ấn

M ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

LỜI MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN 2

1.6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG 2: HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC THUẬT TOÁN 4

ĐIỀU KHIỂN PID 4

2.1 HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 4

2.1.1 Đặc tính của nhiệt độ 4

2.1.2 Nguyên lý đo nhiệt độ 4

2.2 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 7

2.2.1 Khái niệm về bộ điều khiển PID 7

2.2.2 Điều chỉnh tham số bộ điều khiển PID 10

2.3 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 20

2.3.1 Giới thiệu 20

2.3.2 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH LABVIEW 21

2.3.3 PID trong Labivew 22

2.4 MÔ PHỎNG CÁC BỘ PID TRÊN LABVIEW 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ GIAO DIỆN 37

3.1 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 37

3.1.1 Yêu cầu thiết kế 37

3.1.2 Thiết kế 37

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH 47

4.1 Phần cứng 47

4.2 Phần mềm 51

4.3 Chạy thử nghiệm với mô hình thực 52

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 58

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 1 Hằng số nhiệt của các loại

RTD….……… ………… Error! Bookmark not defined 5

Bảng 2 Ảnh hưởng của các tham số PID tới đáp ứng của hệ

thống… ………… Error! Bookmark not defined.12

Bảng 3 So sánh đáp ứng hệ thống theo các bộ điều khiển khác nhau……… 36

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Các loại cảm biến nhiệt thông dụng Error! Bookmark not defined.5

Hình 2 Cấu tạo của RTD 5

Hình 3 Đặc tính điện trở theo nhiệt độ của RTD 6

Hình 4 Sơ đồ cấp nguồn kích thích cho RTD 3 dây 6

Hình 5 Cấu trúc vòng điều khiển 7

Hình 6 Cấu trúc bộ điều khiển PID 8

Hình 7 Đồ thị đáp ứng theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki, Kd là hằng số) 9

Hình 8 Đồ thị đáp ứng theo thời gian, ba giá trị Ki (Kp, Kd là hằng số) 9

Hình 9 Đồ thị đáp ứng theo thời gian, ba giá trị Kd (Kp, Ki là hằng số) 10

Hình 10 Đáp ứng của hệ khi thay đổi giá trị đặt 11

Hình 11 Đồ thị hàm quá độ của đối tượng 13

Hình 12 Mô hình thực nghiệm theo Ziegler-Nichols 2 14

Hình 13 Hệ ở biên giới ổn định khi tăng tới Kth 14

Hình 14 Mô hình nguyên lý phản hồi rơ le 15

Hình 15 Đồ thị hàm quá độ của đối tượng 16

Hình 16 Bảng công cụ 21

Hinh 17 Bảng điều khiển 21

Hinh 18 Bảng chức năng 22

Hình 19 PID Toolkit trong Labview 23

Hình 20 Mã chương trình mô phỏng 25

Hình 21 Giao diện chương trình mô phỏng 25

Hình 22 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ P theo Ziegler-Nichols 1Error! Bookmark not defi Hình 23 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ PI theo Ziegler-Nichols 1Error! Bookmark not def Hình 24 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ PID theo Ziegler-Nichols 1Error! Bookmark not d Hình 25 Thử nghiệm theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 28

Hình 26 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ P theo Ziegler-Nichols 2 28

Hình 28 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ PID theo Ziegler-Nichols 2 29

Hình 29 Thử nghiệm Autotuning (chậm) 30

Hình 30 Thử nghiệm bộ điều khiển sau khi Autotuning (chậm) 31

Hình 31 Thử nghiệm Autotuning (nhanh) 31

Hình 32 Thử nghiệm bộ điều khiển sau khi Autotuning (nhanh) 32

Hình 33 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ PI theo phương pháp tổng T 33

Hình 34 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ PID theo phương pháp tổng T 33

Hình 35 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ PI theo phương pháp tối ưu độ lớn 34

Hình 36 Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển nhiệt độ 37

Hinh 37 Dạng điện áp ra sau băm tùy theo Duty Cycle 39

Hình 38 Nguyên lý hoạt động của Mosfet 39

Hình 39 Sơ đồ nối dây RTD với module 9217 40

Hình 40 Giao diện điều khiển chương trình 41

Hình 41 Chức năng tùy chọn cài đặt tham số của phần mềm 42

Hình 42 Chức năng hiển thị dữ liệu trên đồ thị 42

Hình 43 Chức năng tính toán các tiêu chuẩn IAE, ISE 43

Hình 44 Mã chương trình cho phép chọn bộ điều khiển 43

Hình 45 Mã chương trình cho phép chọn tín hiệu đặt 44

Hình 46 Mã chương trình cho phép hiển thị dữ liệu lên đồ thị 44

Hình 47 Mã chương trình cho phép lưu dữ liệu 44

Hình 48 Mã chương trình cho phép thực hiện Antiwindup 45

Hình 49 Mã chương trình cho phép tính toán độ trơn trung bình của Udk 45

Hình 50 Mã chương trình cho phép tính toán các tiêu chuẩn IAE, ISE 46

Hình 51 Mô hình thí nghiệm thực 47

Hình 52 RTD và module 9217 48

Hình 53 Module 6008 48

Hình 54 Mạch PWM 49

ạng xung ra PWM 49

Hình 57 Đóng gói khối điều khiển 50

Hình 58 Giao diện và mã chương trình điều khiển nhiệt độ 51

Hình 59 Nhận dạng đối tượng 52

Hình 60 Đáp ứng hệ thống thực khi sử dụng bộ P theo Ziegler-Nichols 1 53

Hình 61 Đáp ứng hệ thống thực khi sử dụng bộ PI theo Ziegler-Nichols 1 53

Hình 62 Đáp ứng hệ thống thực khi sử dụng bộ PI theo tối ưu độ lớn 54

Hình 63 Đáp ứng hệ thống thực khi thay đổi Setpoint sử dụng bộ PI theo tối ưu độ lớn 55

bị đóng vai trò chủ đạo, nó giúp cho việc đo lường và điều khiển một hệ tự động hóa linh hoạt và dễ dàng hơn

Đo lường và điều khiển trong công nghiệp bằng máy tính được thực hiện thông qua các phần mềm cài đặt trên máy tính Có rất nhiều ngôn ngữ lập được sử

dụng để hỗ trợ thiết kế giao diện điều khiển trên máy tính như Visual Basic, C#, LabView, được sử dụng, trong đó phần mềm LabView của hãng National Instrument được xem là một ngôn ngữ lập trình chuyên nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa, là môi trường lập trình theo kiểu đồ họa, chứa đựng nhiều công cụ hỗ trợ phát triển và thực thi các ứng dụng tự động hóa như đo lường, thu thập, phân tích,

xử lí dữ liệu, thuật toán điều khiển,…giúp việc lập trình nhanh chóng và dễ dàng hơn

Nhiệt độ là đối tượng điều khiển rất thông dụng trong công nghiệp, được ứng

dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Một hệ thống điều khiển nhiệt độ được xem là hệ có độ trễ lớn Việc nghiên cứu về hệ thống điều khiển nhiệt độ có ý nghĩa thiết thực với những người nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa,

nhất là với sinh viên Nó giúp cho sinh viên có được cái nhìn thực tế hơn về một hệ

tự động hóa trong công nghiệp Điều này có tác dụng hữu ích trong việc nâng cao tính thực tế trong học tập và nghiên cứu của sinh viên

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, tôi đã đề xuất thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ

ựng mô hình thí nghiệm kiểm nghiệm thuật toán điều khiển trong hệ

TS Nguyễn Hồng Quang, nhằm mục đích hoàn thiện một mô hình thí nghiệm mang tính trực quan nhất về một hệ điều khiển quá trình có độ trễ lớn, mà đối tượng điều khiển cụ thể là nhiệt độ

Luận văn được trình bầy gồm 4 chương:

Chương 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của luận văn, mục đích và đối tượng nghiên cứu,

phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Chương 2: Hệ điều khiển nhiệt độ và các thuật toán điều khiển PID

Trình bày về đối tượng điều khiển là nhiệt độ, ý nghĩa của việc điều khiển nhiệt độ, các thuật toán điều khiển áp dụng cho mô hình điều khiển nhiệt độ

Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình Labview của hãng National Instrument và các chức năng căn bản, bộ công cụ PID trong Labview

Chương 3: Thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển trên LabView cho

mô hì nh điều khiển nhiệt độ

Trình bày về việc thiết kế phần cứng điều khiển nhiệt độ, cơ cấu chấp hành, gia nhiệt và phần mềm điều khiển trên LabView với chi tiết các khối chức năng của

phần mềm điều khiển cũng như hoạt động của nó

Chương 4: Thử nghiệm mô hình điều khiển nhiệt độ

Trình bày mục đích, phương pháp thử nghiệm mô hình điều khiển nhiệt độ,

kết quả đạt được

Ph ụ lục, tài liệu tham khảo

Trình bày thông số kỹ thuật của một số phần cứng và tài liệu tham khảo

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô thuộc bộ môn Điều khiển tự động và bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt là thầy giáo TS.Nguyễn Hồng Quang đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ

học viên trong suốt quá trình làm luận văn

Hà nội, Ngày 02 tháng 09 năm 2012

Ngô Minh Tu ấn

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CH ỌN ĐỀ TÀI

Xuất phát từ thực tế trong suốt quá trình học tập tại trường cho thấy sinh viên ngành Tự Động Hóa được học rất nhiều lý thuyết về điều khiển, tuy nhiên cơ hội để

thực hành kiểm nghiệm các thuật toán là chưa nhiều Vì vậy, tôi quyết định xây

dựng một mô hình thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên cơ sở cho phép kiểm nghiệm

các phương pháp điều khiển khác nhau và luận văn “Xây dựng mô hình thí nghiệm

ki ểm nghiệm thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển quá trình trong hệ độ

Xây dựng mô hình thí nghiệm điều khiển nhiệt độ thực với khả năng tùy

chọn bộ điều khiển để kiểm nghiệm những lý thuyết đã được học

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

• Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng có độ trễ lớn, đặc biệt là nhiệt độ

• Ph ạm vi nghiên cứu:

Luận văn nghiên cứu đặc điểm của đối tượng nhiệt độ và các phương pháp điều khiển nhiệt độ Từ đó có được sự so sánh đánh giá giữa các phương pháp trên

cơ sở mô phỏng và thực tế

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Dựa trên các lý thuyết điều khiển kinh điển, từ đó:

• Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng có độ trễ lớn, đặc biệt là nhiệt độ

• Mô phỏng các thuật toán điều khiển dựa trên mô hình toán học của đối tượng

• Xây dựng một mô hình điều khiển nhiệt độ thực, tiến hành nhận dạng đối tượng để xây dựng mô hình toán học cho đối tượng thực, tiến hành thử nghiệm thực

tế các bộ điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã học và đánh giá

NH ỮNG VẤN ĐỀ CẦN ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN

Các nội dung chính thực hiện trong luận văn:

• Trình bày về đặc điểm của đối tượng nhiệt độ và các yêu cầu trong việc điều khiển nhiệt độ

• Trình bày về lý thuyết điều khiển kinh điển, xây dựng thuật toán điều khiển cho đối tượng

• Thiết kế sơ đồ nguyên lý, mạch in, kiểm tra thiết kế và chế tạo các module

phần cứng

• Thiết kế cơ khí vỏ hộp

• Xây dựng phần mềm cài đặt thông số, cấu hình trên máy tính

• Lắp ráp, chạy thử nghiệm trong thực tế

• Đánh giá và nhận xét kết quả đạt được

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN

Việc nghiên cứu thiết kế mô hình thí nghiệm điều khiển nhiệt độ mang lại cho cá nhân người thực hiện luận văn những kiến thức khoa học bổ ích trong việc

hiểu sâu lý thuyết điều khiển kinh điển, xử lý và gia công tín hiệu đo, thiết kế giao

diện điều khiển trên nền tảng Labview, phương pháp điều khiển cho đối tượng thực

là nhiệt độ Thành công của luận văn hướng tới việc tạo ra một mô hình thí nghiệm

thực có thể đưa vào ứng dụng trong phòng thí nghiệm của trường Bách Khoa Hà

Nội, điều này góp một phần không nhỏ trong việc giúp sinh viên có cơ hội tiếp cận

với thực tế, học đi đôi với thực hành, hiểu sâu hơn về bản chất của lý thuyết điều khiển

1.6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn được trình bầy chi tiết, cụ thể và bao gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của luận văn, mục đích và đối tượng nghiên cứu,

phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Chương 2: Hệ điều khiển nhiệt độ và các thuật toán điều khiển PID

Trình bày về đối tượng điều khiển là nhiệt độ, ý nghĩa của việc điều khiển nhiệt độ, các thuật toán điều khiển áp dụng cho mô hình điều khiển nhiệt độ

Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình Labview của hãng National Instrument và các chức năng căn bản, bộ công cụ PID trong Labview

Chương 3: Thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển trên LabView

Trình bày về việc thiết kế phần cứng điều khiển nhiệt độ, cơ cấu chấp hành, gia nhiệt và phần mềm điều khiển trên LabView với chi tiết các khối chức năng của

phần mềm điều khiển cũng như hoạt động của nó

Chương 4: Thử nghiệm mô hình điều khiển nhiệt độ

Trình bày mục đích, phương pháp thử nghiệm mô hình điều khiển nhiệt độ,

kết quả đạt được

Ph ụ lục, tài liệu tham khảo

Trình bày sơ đồ nguyên lý phần cứng và tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 2: HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC THUẬT TOÁN

ĐIỀU KHIỂN PID 2.1 H Ệ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

2.1.1 Đặc tính của nhiệt độ

Nhiệt độ là một biến quá trình rất quan trọng và nó có tác động tới hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống, chẳng hạn trong hóa học nó ảnh hưởng tới tốc độ và điều kiện của các phản ứng hóa học, trong vật lý nó ảnh hưởng tới gần như mọi tính

chất vật lý của vật liệu bao gồm tỷ trọng, độ nhớt, tính dẫn điện…Trong công nghiệp, mọi thiết bị làm việc đều gắn với một dải nhiệt độ nhất định thì mới đảm

bảo hoạt động đúng các chức năng của nó…

Bởi vì nhiệt độ tỷ lệ với động năng trung bình của phân tử , do đó nhiệt độ sẽ cao khi các phân tử chuyển động càng nhanh Khả năng truyền nhiệt của đối tượng

phụ thuộc vào mật độ phân tử, trong 3 môi trường rắn, lỏng và khí thì môi trường khí có mật độ phân tử bé nhất, các phân tử khí thường cách xa nhau, do đó khả năng truyền nhiệt cũng kém hơn và lâu hơn Có thể lấy ví dụ ta để một đầu nóng lên một thanh kim loại thì chỉ trong giây lát sẽ thấy cả thanh kim loại nóng, trong khi đó nếu

để trong không khí thì phải một thời gian sau không khí xung quanh mới bị nóng lên Bản chất sự truyền nhiệt có tính trễ, phụ thuộc sự va chạm giữa các phân tử, độ

trễ này càng lớn khi mật độ phân tử nhỏ, và do đó độ trễ khi gia nhiệt trong không khí là lớn

2.1.2 Nguyên lý đo nhiệt độ

Có rất nhiều loại sensor dùng để đo nhiệt độ, phụ thuộc vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động mà nó được chia thành 3 loại căn bản là Thermocouple (TC), Resistance Temperature Detector (RTDs) và Thermistors Trong luận văn này chỉ

đề cập đến loại RTD

Hình 1: Các lo ại cảm biến nhiệt thông dụng

Hình 2: C ấu tạo của RTD

RTD về thực chất là một điện trở kim loại, thường là Platium Đặc điểm của RTD là khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của nó cũng thay đổi tương ứng tỉ lệ theo

một hàm biết trước tùy thuộc vào vật liệu làm RTD:

Hình 3: Đặc tính điện trở theo nhiệt độ của RTD

Bởi vì RTD là loại cảm biến thụ động, cần phải cấp nguồn kích thích cho nó (Điện áp hoặc dòng điện) Trong luận văn này, tôi sử dụng kích thích bằng nguồn dòng cho RTD, bản thân khi có dòng điện chảy qua RTD thì cũng sinh ra nhiệt gây nên sai số nên cần hạn chế dòng phải càng nhỏ càng tốt Hơn nữa, dây nối với sensor cũng có điện trở và cũng gây nên sai số trong phép đo Vì vậy, người ta chế

tạo loại RTD 3 dây, 4 dây để nhằm mục đích giảm thiểu sai số của dây dẫn

Sơ đồ đấu dây của loại RTD 3 dây như sau:

Hì nh 4: Sơ đồ cấp nguồn kích thích cho RTD 3 dây

Bằng cách cấp nguồn dòng cho RTD và đo diện áp ra, ta có thể tính được điện trở của nó và từ đó tính được nhiệt độ Mối quan hệ giữa điện trở RTD và nhiệt

độ tương đối tuyến tính, thông thường điện trở của RTD là 100 Ohm ở 0oC và có

thể đo tới 850oC

2.2 THU ẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID

2.2.1 Khái ni ệm về bộ điều khiển PID

Điều khiển là thực hiện việc đo lường biến điều khiển và so sánh nó với giá

trị đặt, thực hiện các thao tác quá trình để giữ nó bám theo giá trị đặt khi giá trị đặt thay đổi hoặc khi có nhiễu quá trình

Hình 5: C ấu trúc vòng điều khiển

Có rất nhiều thuật toán có thể sử dụng để điều khiển một đối tượng cho trước, thuật toán đơn giản nhất là điều khiển ON-OFF; ứng dụng của loại điều khiển này có thể thấy khi sử dụng Thermostat để bật gia nhiệt khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm đặt và tắt gia nhiệt khi nhiệt độ đạt điểm đặt Kết quả là nhiệt độ dao động xung quanh giá trị đặt, nhưng cũng đủ cho các yêu cầu trong một số lĩnh vực công nghiệp

Để thu được kết quả tốt hơn, có một số thuật toán điều khiển trong đó nó tính toán giá trị điều khiển dựa trên sai lệch biến điều khiển, phổ biến nhất là thuật toán điều khiển PID (Tỷ lệ, Tích phân, Đạo hàm)

Hình 6: C ấu trúc bộ điều khiển PID

Tín hiệu điều khiển được tính theo công thức:

Trong đó: Kp, Ki, Kd là các tham số của bộ điều khiển, e là sai lệch giữa giá

trị đặt và biến điều khiển

 Thành ph ần cơ bản của bộ điều khiển bao gồm:

Chỉ phụ thuộc vào sai lệch giữa giá trị đặt và biến điều khiển, hệ số tỷ lệ Kp

xác định tỷ lệ giữa tín hiệu điều khiển với sai lệch, tăng Kp sẽ làm tăng tín hiệu điều khiển và do dó làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống điều khiển và làm giảm sai

lệch tĩnh Tuy nhiên, việc tăng Kp cũng đồng nghĩa làm tăng độ quá điều chỉnh, độ

vọt lố sẽ cao, nếu Kp quá lớn thì tín hiệu ra sẽ bắt đầu dao dộng, tiếp tục tăng K sẽ làm cho hệ thống trở nên không ổn định và thậm chí mất điều khiển

Hình 7 : Đồ thị đáp ứng theo thời gian, ba giá trị K p (K i và K d là h ằng số)

 Thành ph ần tích phân:

Là tổng của các sai lệch theo thời gian, kết quả là chỉ cần một sai lệch nhỏ

cũng làm cho tín hiệu điều khiển thay đổi Tín hiệu điều khiển sẽ tiếp tục thay đổi trong suốt quá trình điều khiển trừ khi sai lệch bằng 0 Thành phần tích phân giúp duy trì tín hiệu điều khiển ngay cả khi sai lệch đã về 0 và giúp triệt tiêu sai lệch

tĩnh

Hình 8 : Đồ thị đáp ứng theo thời gian, ba giá trị K i (K p và K d không đổi)

 Thành ph ần vi phân:

Thành phần này nhạy cảm với tốc độ thay đổi của sai lệch, khi sai lệch có xu hướng tăng thì nó tăng tín hiệu điều khiển và ngược lại Tăng hệ số vi phân Td sẽ làm cho hệ thống càng nhạy với tốc độ thay đổi của sai lệch và làm tăng đáp ứng

của hệ Trong hầu hết các hệ thống điều khiển thì Td thường rất nhỏ bởi vì thành

phần vi phân rất nhạy cảm với nhiễu Nếu tín hiệu phản hồi từ sensor có nhiễu hoặc

thời gian vòng điều khiển kín là lâu thì thành phần vi phân có thể làm cho hệ mất ổn định

Hình 9 : Đồ thị đáp ứng theo thời gian, ba giá trị K d (K p và K i không đổi)

Mặc dù công nghệ liên tục đổi mới nhưng cho đến nay, hầu hết các bộ điều khiển trong công nghiệp vẫn dựa trên thuật toán PID Thống kê chỉ ra rằng có tới 97% các bộ điều khiển hiện nay là kiểu PID, trong đó chủ yếu là PI

2.2.2 Điều chỉnh tham số bộ điều khiển PID

Chất lượng của bộ điều khiển được đánh giá bởi một số tiêu chuẩn dựa trên đặc tính đáp ứng của hệ thống, thông thường nó được tính dựa trên việc đo lường đáp ứng của hệ thống khi thay đổi giá trị đặt theo bước

Hình 10 : Đáp ứng của hệ khi thay đổi giá trị đặt

Rise time là thời gian để hệ thống đạt 63% – 90% giá trị ổn định Percent Overshoot là tỉ lệ phần trăm của giá trị thực vượt quá giá trị ổn định Settling time là khoảng thời gian từ lúc thay đổi giá trị đặt tới khi giá trị thực ổn định nằm trong một

dải cho trước, thường là ±5% giá trị đặt, Steady State Error là sai lệch tĩnh tức là sai

lệch giữa giá trị đặt với giá trị ổn định của hệ

Vấn đề chủ yếu đối với bộ điều khiển PID chính là điều chỉnh các tham số để đạt chất lượng mong muốn như thời gian đáp ứng nhanh, độ quá điều chỉnh nhỏ,… Tuy nhiên, một nghiên cứu về chất lượng của các bộ điều chỉnh PID trong công nghiệp hiện nay đã chỉ ra rằng:

• 30% hoạt động ở chế độ Manual

• 20% sử dụng chế độ điều chỉnh cài đặt sẵn

• 32% bộ điều khiển cho chất lượng kém, không đạt yêu cầu

• Điều chỉnh tham số PID vẫn còn là một vấn đề phức tạp đối với các kỹ sư và người vận hành

Chính vì thế mà vấn đề điều chỉnh tham số PID là rất quan trọng Có rất nhiều phương pháp điều chỉnh, có thể dựa vào kinh nghiệm và đặc tính của các thành phần tỷ lệ, tích phân đạo hàm hoặc dựa vào các phương pháp nâng cao hơn như Fuzzy,… Đáp ứng của hệ thống về cơ bản khi thay đổi các tham số PID như sau:

B ảng 2: Ảnh hưởng của các tham số PID tới đáp ứng của hệ thống

Thông s ố điều

ch ỉnh

Rise Time Overshoot Settling Time Steady-State

Error

Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ

Tuy nhiên, đáp ứng này chỉ tương đối vì các tham số PID có ảnh hưởng lẫn nhau Một điều cần chú ý thêm là tùy theo đối tượng mà chọn bộ điều khiển loại P,

PI hay PID Chẳng hạn, nếu bản thân đối tượng đã có thành phần tích phân rồi thì

bộ điều khiển không cần có thành phần tích phân nữa

Một số phương pháp chọn tham số cho bộ điều khiển hay được sử dụng trong thực tế là:

• Phương pháp Ziegler – Nichols

• Phương pháp tổng T của Kuhn

• Phương pháp tối ưu độ lớn

Trong các phương pháp này thì phương pháp của Ziegler- Nichols còn gọi là phương pháp thực nghiệm, dựa trên đáp ứng từ đồ thị hàm quá độ để xác định tham

số bộ điều khiển

 Ziegler-Nichols th ứ nhất

Phương pháp này thiết kế dựa trên cơ sở xấp xỉ hàm truyền đạt của đối tượng thành khâu quán tính bậc nhất có trễ, độ quá điều chỉnh không vượt quá giới hạn cho phép khoảng 40% Giả thiết hàm truyền đạt của đối tượng có dạng:

Hình 11 : Đồ thị dạng hàm quá độ của đối tượng

Các hệ số k, L, T xác định từ đồ thị hàm quá độ: k là giới hạn của h(t) khi t∞; L là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích, T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) tại L đạt giá trị k

Điều kiện để áp dụng phuơng pháp này là đối tượng phải ổn dịnh, không có dao động, và hàm quá độ phải có dạng chữ S

• Nếu dùng bộ P thì R(s) = Kp với Kp= T/kL

• Nếu dùng bộ PI thì R(s) = Kp(1 +1/Ti s) với Kp= 0.9T/kL, Ti=10/3 L

• Nếu dùng bộ PID thì R(s)= Kp(1 +1/Ti s+Td s) với Kp=1.2T/ (kL), Ti=2L, Td=L/2

 Ziegler-Nichols th ứ hai

Phương pháp thực nghiệm này có đặc điểm không sử dụng mô hình toán

học của đối tượng, ngay cả mô hình xấp xỉ đối tượng

Đối tượng điều khiển

Hình 13: H ệ ở biên giới ổn định khi tăng tới Kth

Nội dung của phương pháp này như sau:

• Thay PID bằng bộ khuếch đại, tăng Kp lên đến Kth thì hệ kín ở biên giới ổn định, hệ dao động điều hòa Từ đó xác định chu kỳ Tth của dao động

• Xác định các tham số của bộ điều khiển theo công thức như sau:

• Nếu dùng bộ P thì R(s)= Kp với Kp= 0.5Kth

• Nếu dùng bộ PI thì R(s)= Kp( 1 +1/Ti s) với Kp=0.45Kth, Ti= 0.85Tth

Nhược điểm của phương pháp là chỉ áp dụng cho những đối tượng có được

chế độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh hệ số khuếch đại trong hệ kín

 Phương pháp Autotuning dựa trên phản hồi rơ le

Phương pháp Autotuning dựa trên phản hồi rơ le thực chất dựa trên phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols 2 Tuy nhiên, nó đã được cải tiến để hỗ trợ tìm ra các thông số tới hạn một cách tự động

Hình 14: Mô hình nguyên lý ph ản hồi rơ le

Giả thiết tồn tại chu kỳ dao động tới hạn Tu mà ở đó tín hiệu ra của rơ le

cũng có dạng sóng vuông điều hòa đối xứng, nếu biên độ sóng này là d, phân tích chuỗi Furie của tín hiệu đầu ra rơ le (Bỏ qua sự trễ) và lấy thành phần bậc 1, ta có biên độ của sóng hài này là: 4d/Π

Sử dụng bộ lọc thông thấp và chỉ lấy thành phần sóng hài bậc 1, ta có sai

lệch e đưa tới bộ điều khiển có biên độ là:

a= 4d/Π|G(j2Π/Tu)|

Vì hệ ở biên giới dao động nên suy ra:

argG(j2Π/Tu)= -Π

|G(j2Π/Tu)|= Πa/4d Đặt Ku= 4d/Πa thì Ku chính là hệ số tỷ lệ mà làm cho hệ ở biên giới ổn định

Do đó hệ số tới hạn Ku và chu kỳ tới hạn Tu có thể tìm được từ thí nghiệm Đặc điểm của phương pháp này là phải xác định được biên độ của Rơ le Sau đó tham số

bộ điều khiển được lấy giống như trong phương pháp Ziegler-Nichols 2

 Phương pháp tổng T của Kuhn

Cho đối tượng có hàm truyền đạt

e T T

T

T T

m n m

m

t m t

t

s s

s

s s

++

+

++

+

=

)1

) (

1)(

1(

)1

) (

1)(

1(kS(s)

2 1

2 1

với m<n

Giả thiết hàm quá độ h(t) dạng hình chữ S và ổn định

A k h(t)

t

Hình 15 : Đồ thị hàm quá độ của đối tượng

m t n

m

1 1

A là diện tích bao bởi đường cong h(t) và k

Phương pháp gồm 2 bước:

Bước 1 Xác định hai giá trị k và TΣ có thể từ hàm truyền đạt S(s) hoặc bằng

thực nghiệm từ hàm quá độ h(t): , TΣ= A/k

Bước 2 Nếu chọn bộ PI thì Kp= 1/2k, Ti= TΣ/2

 Phương pháp tối ưu độ lớn

Một trong những yêu cầu chất lượng với hệ thống điều khiển kín:

( ) 1

SR

G s

SR

= +

Là hệ thống luôn có được đáp ứng y(t) giống như tín hiệu được đưa ở đầu vào w(t) tại mọi điểm tần số hoặc ít ra thời gian quá độ để y(t) bám được vào w(t) càng ngắn càng tốt Nói cách khác bộ điều khiển lý tưởng R(s) cần phải mang đến cho hệ thống khả năng |G(jω)|=1 với mọi ω

Nhưng trong thực tế vì nhiều lí do mà yêu cầu R(s ) thỏa mãn điều kiện trên khó được đáp ứng, song đặc tính đó của hệ thống lại được giảm bớt một cách tự nhiên ở chế độ làm việc có tần số lớn nên người ta thường đã thỏa mãn với bộ điều khiển R(s) khi nó mang lại được cho hệ thống tính chất trên trong 1 dải tần số rộng thuộc lân cận 0

Bộ điều khiển R(s) thỏa mãn |G(jω)|=1 trong dải tần số có độ rộng lớn được

gọi là bộ điều khiển tối ưu độ lớn Bộ điều khiển R(s) cần phải được chọn sao cho

miền tần số của biểu đồ Bode hàm truyền hệ kín G(s) thỏa mãn

( ) 20lg/ ( ) /

L ω = G j ω

là lớn nhất Dải tần số này càng lớn chất lượng hệ kín càng cao

Phương pháp tối ưu độ lớn được xây dựng chủ yếu chỉ phục vụ việc chọn tham số bộ điều khiển PID để điều khiển các đối tương S(s) có hàm truyền dạng:

• Quán tính bậc hai :

( )(1 )(1 )

Điều khiển đối tượng quán tính bậc nhất

• Bộ điều khiển là khâu tích phân ( ) p

T T k

k = sẽ là bộ điều khiển tối ưu độ lớn

Điều khiển đối tượng quán tính bậc 2

Bài toán chọn tham số bộ điều khiển PID cho đối tượng quán tính bậc 2:

( )(1 )(1 )

Ta chọn bộ điều khiển PI thay vì bộ điều khiển I như đã làm với đối tượng quán tính bậc nhất :

(1 ) 11

(1 ) ( ) ( ) ( )

Nhằm thực hiện việc bù hằng số thời gian T1 theo nghĩa Ti= T1

Với cách chọn tham số thời gian Ti này hàm truyền đạt hệ hở trở thành:

 Các tiêu chu ẩn đánh giá chất lượng bộ điều khiển

Về mặt định tính, yêu cầu đối với một bộ điều khiển tốt phải thực hiện được:

• Sai lệch điều khiển nhỏ, bất kể khi giá trị đặt thay đổi hay có nhiễu, nói cách khác bộ điều khiển phải bền vững và làm hệ ổn định

• Tín hiệu điều khiển phải trơn tru, không biến đổi quá nhanh

• Độ quá điều chỉnh, sai lệch tĩnh nhỏ

Về mặt định lượng, có một số tiêu chuẩn toán học dùng để đánh giá chất lượng bộ điều khiển dựa vào tích phân của sai lệch khi giá trị đặt thay đổi

hoặc có nhiễu

• Tiêu chuẩn IAE : Tích phân trị tuyệt đối của sai lệch theo thời gian ∫|e|dt

• Tiêu chuẩn ISE: Tích phân bình phương sai lệch theo thời gian ∫|e|2dt

• Tiêu chuẩn ITAE: Tích phân của tích trị tuyệt đối sai lệch với thời gian ∫|e|tdt

• Tiêu chuẩn ITSE: Tích phân của tích thời gian với bình phương sai lệch

∫t|e|2dt

Đối với các tiêu chuẩn này, giá trị càng nhỏ thì có nghĩa là chất lượng bộ điều khiển càng cao Trong những tiêu chuẩn trên thì tiêu chuẩn IAE và ISE là phổ

biến nhất ISE tập trung vào sai lệch lớn hơn là sai lệch nhỏ, hệ thiết kế theo ISE

nhỏ thường có xu hướng xóa bỏ sai lệch lớn càng nhanh càng tốt, và do đó hệ thường đáp ứng rất nhanh, nhưng dao động nhiều Trong khi đó IAE tập trung vào sai lệch nhỏ, hệ ít dao động

2.3 KHÁI QUÁT CHUNG V Ề PHẦN MỀM LABVIEW

2.3.1 Giới thiệu

Labview (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là

một môi trường phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình dạng đồ họa, thường được sử

dụng cho mục đích: Đo lường, kiểm tra, xử lý và điều khiển các tham số của thiết

bị Labview gồm có các thư viện thu nhận dữ liệu, một loạt các thiết bị điều khiển, phân tích dữ liệu, biểu diễn và lưu trữ dữ liệu Nó còn có các công cụ phát triển được thiết kế riêng cho việc nối ghép và điều khiển thiết bị

Labview khác với các ngôn ngữ thông thường ở điểm cơ bản là: Các ngôn

ngữ lập trình khác thường dùng trên cơ chế dòng lệnh, trong khi đó Labview dùng ngôn ngữ lập trình biểu tượng để tạo ra các chương trình ở dạng sơ đồ khối Một chương trình chung trong labview gồm 3 phần chính: một là giao diện với người sử

dụng (Front Panel), hai là giao diện dạng sơ đồ khối cung cấp mã nguồn (Block Diagram) và biểu tượng kết nối (Icon / Connector)

 Front Panel

Front Panel là một panel tương tự như panel của thiết bị thực tế ví dụ các nút

bấm, nút bật, các đồ thị và các bộ điều khiển Từ Front Panel người dùng chạy và quan sát kết quả có thể dùng chuột, bàn phím để đưa dữ liệu vào sau đó cho chương

 Block Diagram

Block Diagram của một VI là một sơ đồ nối, nó có thể gồm nhiều đối tượng

và các hàm khác nhau để tạo các câu lệnh để chương trình thực hiện Block Diagram là một mã nguồn đồ họa của một VI, các đối tượng trên Front Panel được

thể hiện bằng các thiết bị đầu cuối trên Block Diagram

2.3.2 KỸ THUẬT LẬP TRÌNH LABVIEW

Công cụ sử dụng để lập trình trên Labview bao gồm các bảng: Tools Palette, Controls Palette, Functions Palette, các bảng đó cung cấp các chức năng để người

sử dụng có thể tạo và thay đổi trên Front Panel và Block Diagram

 B ảng công cụ (Tool Panel)

Tool Panel xuất hiện trên cả Front Panel và Diagram Bảng này cho phép người sử dụng có thể xác lập các chế độ làm việc đặc biệt của con trỏ Khi lựa chọn

một công cụ, biểu tượng của con trỏ sẽ được thay đổi theo

Hình 16: B ảng công cụ

 B ảng điều khiển (Controls Palette)

Hình 17: B ảng điều khiển

Bảng điều khiển chỉ xuất hiện trên front Panel Bảng điều khiển chứa các bộ điều khiển (control) và các bộ hiển thị (Indicator)

Bảng điều khiển được sử dụng để thiết kế giao diện điều khiển gồm các thiết

bị: các công tắc, các loại đèn, các loại màn hình hiển thị…

 B ảng chức năng (Functions Palette)

Hình 18: B ảng chức năng

Bảng Funtions palette chỉ xuất hiện trên Block diagram Bảng này chứa các

VI và các hàm mà người sử dụng xây dựng để tạo nên các khối lưu đồ

Với bảng Function palette, người lập trình thực hiện các cú pháp như: Phép

lập, phép lựa chọn thông qua các nhóm hàm, chức năng đã được cung cấp Bên

cạnh đó từ bảng này người sử dụng có thể tạo ra và sử dụng lại các hàm riêng

2.3.3 PID trong Labivew

Trong Labview đã có sẵn thư viện PID Control Toolset VIs hỗ trợ rất nhiều

bộ điều khiển PID cơ bản gồm có:

• Bộ điều khiển P, PI, PID: Cho phép người sử dụng tùy chỉnh tham số bộ điều khiển

• Sách lược điều khiển PID: Cho phép người sử dụng cài đặt tham số PID tùy theo sai lệch Ví dụ ứng với sai lệch nằm trong khoảng 0-30% giá trị đặt ta có bộ tham số PID thứ nhất, với sai lệch nằm trong khoảng 30%-70& ta có bộ tham số PID thứ hai,… Labview sẽ tự động chuyển bộ điều khiển tùy theo giá trị sai lệch

• PID nâng cao: Có đưa thêm các hệ số tuyến tính và hệ số giá trị đặt, ngoài ra còn cho phép người sử dụng vận hành ở chế độ Manual

• PID Autotuning : Thực chất là phương pháp Autotuning phản hồi rơ le để

xác định tham số bộ điều khiển

Hình 19: PID Toolkit trong Labivew

V ới bộ điều khiển PID thường, tín hiệu Udk được tính toán theo công thức

như trong bộ điều khiển PID truyền thống:

Với e là sai lệch giữa giá trị đặt và đầu ra Kp, Ki, Kd là các tham số bộ điều khiển

Trong b ộ điều khiển PID nâng cao, có hỗ trợ thêm phần hệ số tuyến tính và

hệ số giá trị đặt, sai lệch đưa vào bộ điều khiển được tính toán theo công thức:

e = (β.SP-PV)(L+(1-L))*| (β.SP-PV)|/SP range

Với β, L là các trọng số giá trị đặt và hệ số tuyến tính của bộ điều khiển, SP

range là dải giá trị của giá trị đặt β có ý nghĩa tùy theo đáp ứng hệ thống được thiết

kế để bám theo giá trị đặt khi giá trị đặt thay đổi hay là có tác dụng bù nhiễu, chẳng

hạn nếu β=0 thì hệ được thiết kế để bù nhiễu, khi β=1 thì chủ yếu là bám giá trị đặt

L dùng để xác định mức độ tuyến tính của bộ điều khiển tỷ lệ theo biên độ của sai

lệch

V ới bộ điều khiển Autotuning, đây là một công cụ hỗ trợ người sử dụng trong

việc điều chỉnh tham số bộ điều khiển PID một cách tự động dựa trên nền tảng là

phương pháp Autotuning phản hồi role Phương pháp này đặc biệt hữu hiệu khi đặc

tính động hoặc nhiễu quá trình khó xác định

Mô hình Auto tuning khi thực hiện điều chỉnh cần phải chọn một trong ba tùy chọn: Đáp ứng nhanh, bình thường và chậm: Đáp ứng nhanh là có hệ số suy

giảm ¼, bình thường là có một số quá điều chỉnh và chậm là có rất ít quá điều

chỉnh Mỗi loại có một công thức tính toán bộ điều khiển riêng Trước khi thực hiện Auto turning, điều kiện là phải có được một bộ điều khiển ổn định, từ đó thuật toán Auto turning sẽ xác định các thông tin liên quan cần thiết cho việc điều chỉnh tham

số PID