Nghiên cứu các phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống điều chỉnh tự động công nghiệp

luận văn, thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, khóa luận, đề tài

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp hà nội

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các

số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ñược ai công

bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Hà N ội, ngày 10 tháng 09 năm 2010

Học viên

LÊ XUÂN HẢI

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường đại học Nông nghiệp Hà

Nội Tôi ựã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật với ựề tài: Ộ Nghiên cứu

các phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống ựiều chỉnh tự ựộng công nghiệp Ợ

Tôi xin chân thành cám ơn TS Nguyễn Văn Hoà Ờ Bộ môn ựiều khiển tự ựộng

Trường đại học Bách khoa Hà Nội ựã tận tình hướng dẫn và tạo mọi ựiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành mảng nghiên cứu

Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn điện kỹ thuật Ờ Khoa Cơ ựiện, Viện đào tạo sau đại học Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội ựã ựọc và ựóng góp nhiều ý kiến quý báu ựể luận văn của tôi ựược hoàn chỉnh hơn

Tôi xin ựược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ựến Ban giám hiệu và lãnh ựạo Khoa điện, Trường Cao ựẳng Công nghiệp và Xây dựng nơi tác giả công tác ựã tạo mọi ựiều kiện thuận lợi nhất ựể tác giả hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu Tôi xin ựược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ựến bạn bè ựồng nghiệp và nhất là gia ựình ựã ựộng viên khắch lệ ựể hoàn thành khóa học này

Hà N ội, ngày Ầ tháng Ầ năm 2010

Học viên

Lê Xuân Hải

MỤC LỤC

Lời cam ựoanẦẦẦi

Lời cảm ơnẦẦẦ ii

Mục lụcẦẦẦiii

Danh mục bảngẦẦẦ vi

Danh mục hìnhẦẦẦ vii

MỞ đẦU i

1 Cơ sở lựa chọn ựề tài 1

2 Phương pháp nghiên cứu 1

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ựề tài 1

4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu 2

5 Tóm tắt nội dung luận văn 2

CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT VÀ đÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG đIỀU CHỈNH TỰ đỘNG CÔNG NGHIỆP 3

1.1 Các ựối tượng trong công nghiệp .3

1.1.1 Tắnh dung lượng .4

1.1.2 Tắnh tự cân bằng .6

1.1.3 Hàm quá ựộ 7

1.2 Thiết bị ựiều khiển công nghiệp PID 11

1.2.1 Mô hình bộ ựiều khiển .11

1.3 Khảo sát chất lượng của hệ thống ựiều chỉnh tự ựộng công nghiệp sử dụng các thuật toán kinh ựiển .14

1.3.1 Các thuật toán kinh ựiển 14

1.3.2 Các phương pháp chỉnh ựịnh dựa theo mô hình ựối tượng và theo ựường ựặc tắnh .15

1.4 đánh giá chất lượng hệ thống ựiều chỉnh tự ựộng công nghiệp hiện nay 20

1.4.1 Các thông số của các bộ ñiều khiển sử dụng các thuật toán kinh

ñiển ñối với lò gió nóng .20

1.4.2 So sánh nhận xét các phương pháp Hallman, SO, Kappa Tau, Ziegler-Nichols .22

1.4.3 So sánh các trường hợp của Chien – Hrones – Reswick 24

1.4.4 So sánh 3 phương pháp Hallman, KappaTau, Chien – Hrones – Reswick .25

1.5 Tóm lại 27

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG CẤU TRÚC PID CÓ THỐNG SỐ THAY ðỔI 28

2.1 ðịnh nghĩa về ñiều khiển có thông số thay ñổi (tự chỉnh) .28

2.2 Sơ lược về ñiều khiển thích nghi 31

2.3 Các hệ thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh) tiêu biểu 33

2.3.1 Hệ thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh) hệ số khuếch ñại 33

2.3.2 Hệ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 33

2.3.3 Hệ ñiều khiển thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh) .34

2.4 Tổng hợp bộ ñiều khiển thích nghi 36

2.4.2 Xây dựng thuật toán ñiều khiển thích nghi 37

2.5 Mô phỏng trên phần mềm Matlab .45

2.5.1 Khảo sát hệ thống ñiều khiển thông thường (không có thích nghi) .46

2.5.2 Khảo sát hệ thống ñiều khiển có thích nghi với tham số ñã biết trước 46

2.5.3 Khảo sát hệ thống ñiều khiển có thích nghi với tham số chưa biết trước 48 2.5.4 Xét hệ thống ñiều khiển có ñối tượng cùng hàm trong thích nghi51

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG

CẤU TRÚC MỜ PID 53

3.1 Tổng hợp bộ ñiều khiển mờ lai .53

3.1.1 Cấu trúc bộ ñiều khiển mờ .54

3.1.2 Nguyên lý ñiều khiển mờ .57

3.1.3 Chọn thiết bị hợp thành 59

CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG THỰC 73

4.1 Khảo sát chất lượng trong hệ thống thực sử dung thuật toán kinh ñiển 73

4.2 Khảo sát chất lượng trong hệ thống thực sử dụng PID có thông số thay ñổi .74

4.2.1 Khảo sát thực lò gió nóng có thích nghi với tham số ñã biết trước 74

4.2.2 Khảo sát thực lò gió nóng có thích nghi với tham số chưa biết trước .77

4.2.3 Khảo sát thực lò gió nóng có ñối tượng cùng hàm trong thích nghi 79

4.3 Khảo sát chất lượng trong hệ thống thực sử dụng cấu trúc mờ PID 83

4.3.1 ðiều khiển thực lò gió nóng bằng phương pháp ñiều khiển mờ 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

1 Kết luận 86

2 Kiến nghị 87

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp

Chien-Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có ñộ quá

ñiều chỉnh σ% = 0 17

Bảng 1.2: Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh không quá 20% 17

Bảng 1.3: Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo tín hiệu ñặt trước và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh ∆hmax 17

Bảng 1.4: Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo tín hiệu ñặt trước và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh ∆hmax không vượt quá 20% so với K lim t h( ) t→ ∞ = 18

Bảng 1.5: Bảng lựa chọn các hệ số theo phương pháp Kappa Tau 19

Bảng 1.6 Các thông số của các bộ ñiều khiển sau khi tiến hành thí nghiệm sử dụng các thuật toán kinh ñiển ñối với lò gió nóng 20

Bảng 3.1: Biểu diễn tập các luật ñiều khiển dưới dạng ma trận 59

Bảng 3.2: Luật chỉnh ñịnh kR 63

Bảng 3.3: Luật chỉnh ñịnh kD 63

Bảng 3.4: Luật ñiều chỉnh α 64

Bảng 4.1: Tổng hợp các chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển thực theo các phương pháp kinh ñiển 81

Bảng 4.2: Tổng hợp chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển thực có thích nghi 82

Bảng 4.3: Tổng hợp chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển thực theo phương pháp chỉnh ñịnh mờ bộ PI 85

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ ựồ cấu trúc vào ra của ựối tượng ựiều chỉnh 4

Hình 1.2 đối tượng ựiều chỉnh mức nước 6

Hình 1.3: Hàm quá ựộ của ựốitượng tự cân bằng 8

Hình 1.4 Hàm quá ựộ của ựối tượng không tự cân bằngẦẦẦ.21

Hình 1.5 Hàm quá ựộ của ựối tượng không ổn ựịnh 10

Hình 1.6 Mô hình bộ ựiều khiển 11

Hình 1.7: Mô hình bộ ựiều khiển trong miền LaplaceẦẦẦ 12

Hình 1.8: đường ựặc tắnh quá ựộ của ựối tượng theo phương pháp 16

Hình 1.9 So sánh các bộ PI của Hallman, Kappa Tau, Ziegler theo ựặc tắnh ra của hệ thống 23

Hình 1.10 đặc tắnh của hệ với bộ PI của các phương pháp Hallman, SO, 23

Hình 1.11 So sánh các trường hợp lựa chọn thông số PI của Chien Ờ Hrones Ờ Reswick 24

Hình 1.12 đáp ứng của hệ thống khi sử dụng các cách lựa chọn thông số PI của Chien Ờ Hrones Ờ Reswick 25

Hình 1.13 So sánh 3 phương pháp Hallman, KappaTau, Chien Ờ Hrones Ờ Reswick 26

Hình 1.14 đáp ứng của hệ thống khi sử dụng PI của Hallman, Kappa Tau, Chien Ờ Hrones Ờ Reswick 26

Hình 2.1 Vắ dụ về ựiều khiển có thông số thay ựổi (tự chỉnh) 28

Hình 2.2: Cấu trúc chung của hệ thống ựiều khiển thắch nghi 32

Hình 2.3: Hình ựiều khiển thắch nghi có thông số thay ựổi (tự chỉnh) hệ số khuếch ựại 33

Hình 2.4: Hệ thắch nghi theo mô hình mẫu 34

Hình 2.5:Hệ thắch nghi có thông số thay ựổi (tự chỉnh) gián tiếpẦẦẦ

Hình 2.6:Hệ thắch nghi có thông số thay ựổi (tự chỉnh) trực tiếp 36

Hình 2.7: Sơ ựồ cấu trúc hệ ựiều khiển thắch nghi theo (2.19) 40

Hình 2.8: Sơ ựồ cấu trúc hệ ựiều khiển thắch nghi theo (2.20) 41

Hình 2.9: Sơ ựồ cấu trúc hệ ựiều khiển thắch nghi ựối tượng là khâu quán tắnh bậc nhất có trễ ựã biết trước tham số 41

Hình 2.10: Cấu trúc hệ thống ñiều khiển thích nghi ñối tượng ñiều khiển là khâu

quán tính bậc nhất có trễ chưa biết trước tham số 45

Hình 2.11: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thường cho ñối tượng lò gió nóng 46

Hình 2.12: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thường cho ñối tượng lò gió nóng 46

Hình 2.13 Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với tham số ñã biết trước (có khâu phản hồi) 47

Hình 2.14: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với tham số ñã biết trước (có khâu phản hồi) ……….47

Hình 2.15: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với tham số ñã biết trước (không có khâu phản hồi) 48

Hình 2.16: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với tham số ñã biết trước (không có khâu phản hồi) 48

Hình 2.17: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với tham số chưa biết trước (có khâu phản hồi) 49

Hình 2.18: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với tham số chưa biết trước (có khâu phản hồi) 49

Hình 2.19: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với tham số chưa biết trước (không có khâu phản hồi) 50

Hình 2.20: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với tham số chưa biết trước (không có khâu phản hồi) 50

Hình 2.21: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng có cùng hàm trong thích nghi (có phản hồi) 51

Hình 2.22: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng có cùng hàm trong thích nghi (có phản hồi) 51

Hình 2.23: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng có cùng hàm trong thích nghi (không có phản hồi) 52

Hình 2.24: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng có cùng hàm trong thích nghi (không có phản hồi) 52

Hình 3.1: Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển mờ 54

Hình 3.2: Hệ thống ñiều khiển mờ 57

Hình 3.3: Phương pháp chỉnh ñịnh mờ thông số PID 60

Hình 3.4: Bên trong bộ chỉnh ựịnh mờ 61

Hình 3.5: định nghĩa các tập mờ vào/ra 62

Hình 3.6: Sơ ựồ khối hệ thống mờ tỉ lệ 64

Hình 3.7: Biến ựầu vào của hệ thống mờ tỉ lệ 65

Hình 3.8: Biến ựầu ra của hệ thống mờ tỉ lệ 65

Hình 3.9 Sơ ựồ cách chọn luật mờ 65

Hình 3.10: Luật ựiều khiển của hệ thống mờ tỉ lệ 66

Hình 3.11: Sự phụ thuộc giữa các biến vào/ra của hệ thống mờ tỉ lệ 66

Hình 3.12: Quan hệ giữa các biến vào/ra của hệ thống mờ tỉ lệ 67

Hình 3.13: Sơ ựồ mô phỏng theo phương pháp của hệ thống mờ tỉ lệ 67

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng theo phương pháp của hệ thống mờ tỉ lệ 67

Hình 3.15 Sơ ựồ khối hệ thống mờ hai vào một ra 68

Hình 3.16 Biến ựầu vào de/dt hệ thống mờ hai vào một ra 68

Hình 3.17 Biến ựầu vào e hệ thống mờ hai vào một ra 69

Hình 3.18 đầu ra hệ thống mờ hai vào một ra 69

Hình 3.19 Sự phụ thuộc biến ựầu vào ra hệ thống mờ hai vào một ra 70

Hình 3.20 Luật hệ thống mờ hai vào một ra 70

Hình 3.21 Bảng ma trận cách xác ựịnh luật ựiều khiển mờ 70

Hình 3.22 đáp ứng ựầu ra của hệ thống mờ hai vào một ra 72

Hình 3.23 Sơ ựồ hệ thống ựiều khiển hệ thống mờ hai vào một ra với ựối tượng lò gió nóng 72

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng hệ thống mờ hai vào một ra với ựối tượng lò gió nóng 72

Hình 4.1 Sơ ựồ mô phỏng hệ thống thực sử dụng thuật toán kinh ựiển 73

Hình 4.2 Kết quả mô phỏng ựiều khiển thực với Kp =5 ,Ti =125 73

Hình 4.3 Kết quả mô phỏng ựiều khiển thực với Kp = 5 ,Ti = 130 74

Hình 4.4 Kết quả mô phỏng ựiều khiển thực với Kp = 4,5, Ti = 130 74

Hình 4.5 Kết quả mô phỏng ựiều khiển thực với Kp = 4.5,Ti =125 74

Hình 4.6: Sơ ựồ mô phỏng ựiều khiển thực có thắch nghi cho ựối tượng lò gió nóng với tham số ựã biết trước (có khâu phản hồi) 75

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng ựiều khiển thực có thắch nghi cho ựối tượng Lò gió nóng với tham số ựã biết trước (có khâu phản hồi) 75

Hình 4.8: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng

với tham số ñã biết trước (không có khâu phản hồi) 76 Hình 4.9: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò ñiện

trở với tham số ñã biết trước (không có khâu phản hồi) 76 Hình 4.10: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió

nóng với tham số chưa biết trước (có khâu phản hồi) 77 Hình 4.11: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió

nóng với tham số chưa biết trước (có khâu phản hồi) 77 Hình 4.12: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió

nóng với tham số chưa biết trước (không có khâu phản hồi) 78 Hình 4.13: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối

tượng lò gió nóng với tham số chưa biết trước (không có khâu phản hồi) 78 Hình 4.14: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng

có cùng hàm trong thích nghi (có phản hồi) 79 Hình 4.15: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió

nóng có cùng hàm trong thích nghi (có phản hồi) 79 Hình 4.16: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng

có cùng hàm trong thích nghi (không có phản hồi) 80 Hình 4.17: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió

nóng có cùng hàm trong thích nghi (không có phản hồi) 80

không ñổi cho ñối tượng lò gió nóng 83

không ñổi cho ñối tượng lò gió nóng 83 Hình 4.20: Sơ ñồ phỏng thực theo phương pháp chỉnh ñịnh mờ bộ PI với Ti không

ñổi cho ñối tượng lò gió nóng 84 Hình 4.21: Kết quả mô phỏng thực theo phương pháp chỉnh ñịnh mờ bộ PI với Ti

không ñổi cho ñối tượng lò gió nóng 84

1 MỞ đẦU

1 Cơ sở lựa chọn ựề tài

chỉnh tự ựộng Tuy nhiên trên thực tế có rất nhiều ựối tượng ựiều khiển khác nhau với các ựặc tắnh phức tạp Do ựó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp ựiều khiển khác nhau ựể ứng dụng ựiều khiển các ựối tượng công nghiệp Trong công nghiệp có các loại ựối tượng có tham số biến thiên chậm tồn tại rất nhiều và cần phải ựề cập tới Vắ dụ như ựiều khiển nhiệt ựộ lò nung, lò gió nóng hay

lò sấyẦ đã có nhiều công trình nghiên cứu trước ựây và cho nhiều kết quả nghiên cứu ứng dụng rất tốt

trong công nghiệp Tuy nhiên việc lựa chọn các thông số của bộ ựiều khiển sao cho chất lượng tốt nhất ựã làm cho nhiều người trong lĩnh vực ựiều khiển quan tâm để tăng chất lượng ựiều khiển phải phối hợp ựiều khiển kinh ựiển với thắch nghi, kỹ thuật logic mờẦ Do vậy luận văn có tên ỘNghiên cứu các phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống ựiều chỉnh tự ựộng công nghiệp Ợ Luận văn tập trung nghiên cứu các ựối tượng phổ biến trong công nghiệp và tiến hành nghiên cứu kháo sát và ựánh giá các thuật toán kinh ựiển và các thuật toán ựặc biệt như tự chỉnh ựể

so sánh ựiều khiển lò gió nóng hay còn gọi là lò sấy tại Bộ môn điều khiển tự ựộng tại Trường đại học Bách khoa Hà Nội

2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết ựể xây dựng thuật toán

- Dùng mô phỏng ựể kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết

- Dùng thực nghiệm ựể khẳng ựịnh kết quả nghiên cứu

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ựề tài

Về khoa học: Luận văn góp phần chuẩn hóa và hoàn thiện phương pháp

thiết kế bộ ựiều khiển ựể ựiều khiển ựối tượng phổ biến trong công nghiệp

Về thực tiễn: Với kết quả thu ựược của ựề tài ựã góp phần:

- Giải quyết một phần những khó khăn trong việc tổng hợp hệ ựiều khiển mờ -Tổng hợp bộ ựiều khiển mờ cho ựối tượng có trễ

tượng biến ựổi chậm

4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến những vấn ñề sau:

- Nghiên cứu về các ñặc tính của ñối tượng phổ biến trong công nghiệp

- Nghiên cứu khảo sát và ñánh giá chất lượng của hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng dùng thuật toán kinh ñiển ñể ñiều khiển lò sấy

- Nghiên cứu áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết về ñiều khiển mờ và

hệ tự chỉnh nâng cao chất lượng ñiều khiển cho lò sấy

5 Tóm tắt nội dung luận văn

Chương 1: Có tiêu ñề “ Khảo sát và ñánh giá chất lượng ñiều chỉnh tự

ñộng công nghiệp hiện nay

Chương này trình bày một số vấn ñề cơ bản về các ñặc tính của một số ñối tượng phổ biến trong công nghiệp hiện nay, khảo sát và ñánh giá chất lượng của các

bộ ñiều chỉnh tự ñộng sử dụng các thuật toán kinh ñiển và so sánh giữa các thuật toán tiến hành mô phỏng cho ñối tượng lò gió nóng Dựa vào kết quả mô phỏng ñể ñánh giá chất lượng cho từng phương pháp, nêu lên những tồn tại chưa giải quyết ñược ðây là cơ sở ñể tạo tiền ñề cho các nghiên cứu ở chương 2 của luận văn

Chương 2: Có tiêu ñề “Phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống

ñiều chỉnh sử dụng PID có thông số thay ñổi ”

Từ các kết quả nghiên cứu ở chương 1 chương này tác giả ñề cập ñến thuật toán mới ñể chỉnh ñịnh thông số bộ ñiều khiển kinh ñiển ñịnh thông số bộ ñiều khiển kinh ñiển ñó là tự chỉnh và tự chỉnh thích nghi từ ñó tiến hành mô phỏng khảo sát so sánh chất lượng so với ñiều khiển thông thường trên ñối tượng lò gió nóng

Chương 3:“ Phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống ñiều chỉnh

Chương 4: Khảo sát và ñánh giá chất lượng trong hệ thống thực

Phần kết luận và kiến nghị: Tóm tắt nội dung chính luận văn ñã giải quyết

và ñề xuất các vấn ñề cần nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT VÀ ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG

ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG CÔNG NGHIỆP

1.1 Các ñối tượng trong công nghiệp

Một trong những nhiệm vụ cơ bản của lí thuyết ñiều khiển tự ñộng là phải nghiên cứu ñược tính chất của ñối tượng ñiều chỉnh Các thông tin về ñối tượng ñiều chỉnh thu thập càng ñầy ñủ thì việc tổng hợp hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng càng ñơn giản và quá trình ñiều chỉnh càng dễ ñạt ñộ chính xác cao Việc nghiên cứu ñối tượng ñiều chỉnh phải xuất phát từ việc nghiên cứu các hiện tương hóa lí xảy ra trong ñối tượng công nghệ (thiết bị công nghệ)

Các hiện tượng này luôn luôn liên quan tới dòng vật chất hay dòng năng lượng chảy vào QV và chảy ra QRtừ ñối tượng, tạo nên môi trường hoạt ñộng của quy trình công nghệ Khi QV = QR các quá trình trong ñối tượng tồn tại ở trạng thái dừng, ñối tượng ở trạng thái cân bằng Khi QV ≠ QR sẽ tồn tại sự vận ñộng trong môi trường hoạt ñộng của ñối tượng Giá trị ∆Q = QV – QR ñược gọi là tác ñộng nhiễu lên ñối tượng Nó là ñại lượng ñặc trưng cho tác ñộng vào của ñối tượng Năng lượng hoặc vật chất sẽ ñược tích lũy hay chuyển hóa trong lòng ñối tượng Các quá trình này ñược phản ánh thông qua một số thông số kĩ thuật của ñối tượng

và ñược gọi là tín hiệu ra của ñối tượng

Thông số kĩ thuật ñặc trưng nhất cho các quá trình xảy ra trong ñối tượng ñược gọi là thông số công nghệ và nó chính là ñại lượng cần ñiều chỉnh y Tác ñộng ảnh hưởng trực tiếp lên thông số công nghệ ñược gọi là tác ñộng công nghệ Tác ñộng công nghệ thường ñược sử dụng là dòng vào của ñối tượng Tác ñộng ñiều chỉnh u từ thiết bị ñiều chỉnh thường ảnh hưởng trực tiếp lên dòng vào của ñối tượng thông qua thiết bị ñược gọi là cơ cấu chấp hành (CCCH) và cơ quan ñiều chỉnh (CQðC) Sơ ñồ cấu trúc khối vào ra của ñối tượng ñược mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh

Hai tính chất cơ bản của ñối tượng ñiều chỉnh là khả năng tích lũy năng lượng hay vật chất trong lòng nó, còn gọi là tính dung lượng và tính tự cân bằng Nghiên cứu bản chất vật lí của ñối tượng chính là nghiên cứu các tính chất này của nó

1.1.1 Tính dung lượng

Các ñối tượng ñiều chỉnh luôn luôn có khả năng tích lũy môi trường hoạt ñộng

và dữ trữ trong bản thân mình Khả năng ñó gọi là khả năng tích lũy của ñối tượng hay còn gọi là tính dung lượng của ñối tượng Sự tích lũy của ñối tượng ñược phản ánh ra bên ngoài thông qua giá trị ñại lượng cần ñiều chỉnh y Khi QV= QR ñối tượng ở trạng thái cân bằng, sự tích lũy trong lòng ñối tượng không thay ñổi, ñại lượng cần ñiều chỉnh không thay ñổi Khi có sự mất cân bằng vào ra QV ≠ QR, tích lũy trong lòng ñối tượng sẽ thay ñổi làm thay ñổi ñại lượng cần ñiều khiển

ðối tượng có dung lượng càng nhỏ thì tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn ñến quá trình ñiều chỉnh càng phức tạp Ngược lại, dung lượng của ñối tượng càng lớn thì tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh càng nhỏ, quá trình ñiều chỉnh càng ñơn giản

Ví dụ, ñiều chỉnh mức nước trong một bình chứa, khả năng tích lũy của bình chính là dung tích của nó Dung tích của bình càng lớn thì tốc ñộ thay ñổi mức càng chậm khi có sự mất cân bằng giữa lưu lượng nước chảy vào và chảy ra, việc giữ ổn ñịnh mực nước trong bình càng ñơn giản

Nhìn chung tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh

dt

dy phụ thuộc vào giá

trị mất cân bằng ∆Q giữa lượng cào và lượng ra và ñược mô tả dưới dạng

hệ số γlà một giá trị phụ thuộc vào ∆Q

Dung lượng C của ñối tượng ñược ñánh giá bằng ñộ dự trữ môi trường hoạt ñộng trong ñối tượng Khi ñối tượng ở trạng thái cân bằng thì dung lượng C không thay ñổi, còn khi mất cân bằng vào – ra thì dung lượng sẽ thay ñổi và tốc dộ thay ñổi của dung lượng bằng sự mất cân bằng vào ra dC/dt = ∆Q Thông thường, dung lượng của ñối tượng ñược biểu diễn thông qua hệ số ñược gọi là hệ số dung lượng c

và ñược xác ñịnh theo công thức:

y

C c

∆

∆

= (1.3) Trong ñó, ∆C là sự thay ñổi tích lũy của ñối tượng dẫn ñến sự thay ñổi ∆y của ñại lượng cần ñiều chỉnh

Từ công thức (1.3) có thể suy ra:

Q

dt

dy c dt

dC

∆

=

= (1.4)

Rõ ràng, hệ số dung lượng c là giá trị tỉ lệ nghịch với hệ số nhạy cảm nhiễu

γcủa ñối tượng

Ví dụ: ðối tượng ñiều chỉnh là bình chứa nước có tiết diện s không ñổi (hình 1.2) có dòng nước QV chảy vào bình từ phía trên và dòng nước QRchảy ra tự nhiên khỏi bình từ phía dưới ðại lượng cần ñiều chỉnh ở ñây là mức nước trong bình

Hình 1.2 ðối tượng ñiều chỉnh mức nước

Khi QV = QR thì mức nước trong bình H = const Hệ số dung lượng của ñối tượng là tiết diện s của bình Khi QV ≠ QR thì mức nước trong bình sẽ thay ñổi Theo ñịnh luật bảo toàn vật chất ta có:

s

Q s dt

dH Q dt

sẽ có tính tự cân bằng nếu có sự liên hệ nghịch âm giữa ñại lượng cần ñiều chỉnh y

Nếu θ =const thì mối liên hệ giữa ∆Q và y ñược mô tả theo công thức:

∆Q = ∆Q0 - θy (1.6)

Trong ñó: ∆Q0 là giá trị mất cân bằng ban ñầu

Thay (1.6) và (1.2), ta ñược:

tại mối quan hệ nào Tốc ñộ thay ñổi của y là cố ñịnh, ñối tượng có thành phần tích phân, vì vậy không thể tự cân bằng Khi θ < 0, trong lòng ñối tượng hình thành mối liên hệ nghịch dương giữa tín hiệu ra y và tác ñộng vào ∆Q, tốc ñộ thay ñổi của y càng ngày càng tăng hình thành phần tử không ổn ñịnh Các ñặc tính ñộng học của ñối tượng ñầy ñủ thông qua các ñặc tính thời gian của nó mà ñặc trưng nhất là hàm quá ñộ

ðối với ñối tượng có tính tự cân bằng thì ở trạng thái xác lập tín hiệu ra tỉ lệ với tín hiệu vào Như vậy, ñối với hàn quá ñộ tín hiệu vào bằng 1 nên h(∞) sẽ có giá trị bằng hệ số truyền của ñối tượng Như vậy, dạng tổng quát hàm truyền ñạt của ñối tượng có tính tự cân bằng ñược mô tả như sau:

τ00

t h(t)

Hình 1.3: Hàm quá ñộ của ñốitượng tự cân bằng

1

)(

1

1 1 0

1

1 1 0

++

++

++

++

a p a

p b p

b p b p W

n n

n

m m

m o

ðối tượng gồm hai khâu mắc nối tiếp nhau là: khâu trễ có hàm truyền ñạt

p

e− τ 0

và khâu tĩnh có hàm truyền ñạt KdW0(p) Giá trị τ0 gọi là trễ vận chuyển Khâu tĩnh có hàm quá ñộ ñược biểu diễn trên ñồ thị bắt ñầu từ thời gian t = τ0 cho ñến hết quá trình trong thực tế khâu tĩnh có thể lấy gần ñúng một trong bốn dạng sau: khâu bậc nhất, bậc nhất có trễ, khâu bậc hai và bậc hai có trễ

Khi khâu tĩnh là bậc nhất thì ñối tượng có hàm truyền ñạt dạng:

Tp

K p

1)

K p

1 )

+

= Trong ñó, τdñược gọi là trễ dung lượng

Khâu tĩnh có hàm bậc hai thì ñối tượng có hàm truyền ñạt

d e p

p T p T

K p

1)

(

2

2 1

τ

−

++

K p

2

2 1

0

.1)

++

Các thông số của khâu tĩnh có thể xác ñịnh bằng phương pháp ñồ thị hoặc ñồ thị giải tích

Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng ñược mô tả trên hình 1.4

Hình 1.4 Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng

Từ ñường quá ñộ này có thể nhận thấy cấu trúc của ñối tượng có thành phần trễ có thời gian trễ τ0, có thành phần quán tính và có thành phần tích phân Do có thành phần quán tính nên tốc ñộ tăng của h(t) thay ñổi ñến xác lập còn thanh phần tích phân làm cho h(t) tiến xa vô cùng với tốc ñộ không ñổi Hàm truyền ñạt của các ñối tượng không có tính tự cân bằng ñược mô tả dưới dạng tổng quát:

1

)(

1

1 1 0

1

1 1 0

++

++

++

++

a p a

p b p

b p b p W

n n

n

m m

m o

Như vậy, ñối tượng không có tính tự cân bằng (ñối tượng phi tĩnh) là ñối tượng khi có tác ñộng của nhiễu phá vỡ trạng thái cân bằng của nó thì trạng thái của

nó tiến xa vô cùng với tốc ñộ không ñổi Như vậy, trong lòng ñối tượng có sự thay ñổi tích lũy do sự mất cân bằng gây ra Nhưng sự tích lũy này không ảnh hưởng trở lại sự mất cân bằng

Trong thực tế hàm truyền ñạt không có tính tự cân bằng ñược mô tả gần ñúng bằng một trong bốn dạng sau:

* Tích phân ñơn thuần:

1

1p+

T p T

* Tích phân có trễ:

Wd(p) =

) 1 (

1

1p+

T Tp

1

1p+

T p T

Hình 1.5 Hàm quá ñộ của ñối tượng không ổn ñịnh

Khi có nhiễu tác ñộng thì trạng thái của ñối tượng thay ñổi và sự thay ñổi ñó ñưa trạng thái của ñối tượng tiến xa vô cùng với tốc ñộ tăng ñến vô cùng Như vậy trong trường hợp này có sự hình thành hồi tiếp dương trong lòng ñối tượng

Trong thực tế công nghiệp chỉ tồn tại ñối tượng tự cân bằng và ñối tượng không tự cân bằng

1.2 Thiết bị ñiều khiển công nghiệp PID

Cho ñến nay các bộ ñiều khiển mạch vòng ñơn trong công nghiệp chủ yếu vẫn

sử dụng bộ ñiều khiển PID bởi tính ñơn giản trong cấu trúc, hiệu chỉnh tham số dễ dàng và làm việc ổn ñịnh Do ñó, các phương pháp ñiều chỉnh PID ñã ñược phát triển nhiều kể từ khi xuất hiện bộ ñiều chỉnh PID ñầu tiên Các thuật toán ñiều chỉnh kinh ñiển có thể kể ñến như phương pháp Ziegler-Nichol, phương pháp phân tích dựa trên ñồ thị quỹ ñạo nghiệm số, phương pháp dựa trên tối ưu hoá…

Các phương pháp ñó có thể chia thành các nhóm:

1.2.1 Mô hình bộ ñiều khiển

Luật ñiều khiển PID tính toán tín hiệu ñiều khiển là tổng hợp của 3 thành phần

tỷ lệ P (Proprtional), tích phân I (Intergral), vi phân D (Derivative)

Hình 1.6 Mô hình bộ ñiều khiển

Trong ñó: yo : là tín hiệu chủ ñạo

ym: tín hiệu phản hồi từ ñối tượng u: tín hiệu ñiều khiển (biến ñiều khiển)

y : là biến ñược ñiều khiển

d và n lần lượt là nhiễu quá trình và nhiễu ño

Cấu trúc ñơn giản nhất của bộ ñiều khiển PID

( )

( )

(

dt

t de T d e K t e K t

0

) ( )

(

1 ) ( )

(

dt

t de T d e T t e K t

s T K s

i p

.

1 1 )

ðây chính là cấu trúc của bộ ñiều khiển PID lý tưởng

Các bộ ñiều khiển có thể sử dụng từng thành phần P, I, D riêng rẽ hoặc phối hợp với nhau Theo các tài liệu thống kê thì có khoảng 60% các bộ ñiều khiển trong công nghiệp có cấu trúc PI, 20% có cấu trúc PID và khoảng 20% có cấu trúc P thuần tuý

ðộ dịch ub (bias) là một hằng số biểu thị giá trị tín hiệu ñiều khiển khi sai lệch bằng 0 sai lệch càng lớn thì tác ñộng tỷ lệ càng lớn và ngược lại, mức ñộ phụ thuộc vào hệ số khuếch ñại K Tuy nhiên, ñộ dịch ub không ñảm bảo sai lệch e có thể tiến ñến 0 trong trường hợp khi mà ñộ dịch không ñược xác ñịnh một cách chính xác Nếu bản thân quá trình là tích phân thì ñộ dịch ñược chọn bằng 0, còn trong trường hợp còn lại ñộ dịch có thể ñược tạo ra bởi một khâu truyền thẳng (bù giá trị ñặt) hoặc bởi thành phần tích phân Luật tỷ lệ tác ñộng nhanh và tức thời có tác dụng cải thiện tốc ñộ ñáp ứng của hệ thống và vì vậy có tác dụng quan trọng trong giai ñoạn ñầu của quá trình quá ñộ

Hệ số khuếch ñại có thể chọn âm hay dương là tuỳ theo yêu cầu cụ thể của bài toán và tuỳ theo ñặc tính quá ñộ của cảm biến hay của van Giá trị K âm tương ứng với tác ñộng thuận, khi ñó tín hiệu ñiều khiển sẽ tăng khi ñầu ra của quá trình và ngược lại

Với giá trị dương K bộ ñiều khiển sẽ có tác ñộng ngược tức là tín hiệu ñiều khiển tăng thì ñầu ra của quá trình sẽ giảm và ngược lại

Bên cạnh hệ số khuếch ñại K, trong thực tế người ta còn dùng khái niệm dải tỷ

lệ ñược ñịnh nghĩa bởi: Pb = (umax – umin)/K

Ý nghĩa của dải tỷ lệ chính là phạm vi mà giá trị của sai lệch cho phép mà tín hiệu ñiều khiển vẫn nằm trong dải cho phép Với K >> 1 thì luật ñiều khiển chỉ tuyến tính trong với những giá trị sai lệch tương ñối nhỏ

1.2.1.2 Tác ñộng tích phân

Tác ñộng tích phân ñưa ra tín hiệu ñiều khiển tỷ lệ với tổng tích luỹ của sai lệch

t

u dt t e T

K t U

0 1

1( ) ( ) (0)

với u(0) là giá trị ban ñầu của tín hiệu ñiều khiển

Với bất cứ một sai lệch nào khác không cũng tạo ra sự thay ñổi trong tín hiệu ñiều khiển Vì thế, hệ thống chưa thể ñến trạng thái xác lập Tác ñộng tích phân tác ñộng chậm so với sự thay ñổi của e(t) Do vậy, chế ñộ tích phân còn ñược gọi là chế

ñộ chậm (slow mode) Thông thường tác ñộng tích phân làm xấu ñặc tính ñộng học

của hệ thống như làm hệ thống dao động hoặc làm mất tính ổn định của hệ thống Trong trường hợp mà bản thân quá trình đã cĩ khâu tích phân thì việc thêm thành phần tích phân vào bộ điều khiển sẽ trở nên khơng cần thiết

U d( =) D ( ) Bản chất của tác động vi phân là đốn trước chiều hướng và tốc độ thay đổi của biến được điều khiển và đưa ra phản ứng thích hợp, vì thế nĩ cĩ tác dụng cải thiện đặc tính động học của hệ kín với những thay đổi của giá trị đặt hay tác động của nhiễu tải Tuy nhiên, do tác động nhanh nên tác động vi phân rất nhạy cảm với nhiễu đo Tác động vi phân chỉ tốt khi nĩ dự đốn tốt được những thay đổi xảy ra ở giai đoạn sau của quá trình Tức là giá trị hằng số thời gian vi phân càng nhỏ khi tốc

độ biến thiên của sai lệch e(t) càng lớn

1.3 Khảo sát chất lượng của hệ thống điều chỉnh tự động cơng nghiệp sử dụng các thuật tốn kinh điển

1.3.1 Các thuật tốn kinh điển

*Chỉnh định thơng số PID theo phương pháp kinh điển

Cho đến nay việc nghiên cứu các đối tượng điều khiển trong cơng nghiệp chủ yếu người ta xấp xỉ về dạng cĩ mơ hình tốn học là khâu quán tính bậc nhất cĩ trễ

-sLe1)

1 ( ) (

2

1s T s T

e K

s P

Ls

+ +

=

−

Chính vì lý do đĩ để đơn giản ta sẽ chọn mơ hình đối tượng để mơ phỏng offline là

1.3.2 Các phương pháp chỉnh ñịnh dựa theo mô hình ñối tượng và theo ñường

ñặc tính

* Một số phương pháp chỉnh ñịnh thường gặp như sau:

- Phương pháp Hallman

- Phương pháp tối ưu ñối xứng

- Phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm 0 (Poles and Zeros Cancelled)

- Phương pháp mô hình IMC (Internal model Control) của Morani và Zafiriou

- Phương pháp Ziegler- Nichols

- Phương pháp Chien-Hrones-Resweick

- Phương pháp Kappa – Tau (KT)

* Dưới ñây là một số phương pháp thường hay sử dụng

1.3.2.1 Ph ương pháp Haalman

Phương pháp Haalman ñược xây dựng theo mô hình PID có 1 bậc tự do.Ý tưởng chính ñể xây dựng phương pháp này là xuất phát từ mô hình quán tính bậc nhất có trễ (FOPDT) hay mô hình quán tính bậc hai có trễ (SOPDT) ñể lựa chọn thông số cho PID sao cho hệ hở có hàm truyền L(s)= 2e-Ls/3Ls Khi ñó dựa trên ñặc tính tần của hệ hở ta sẽ có tần số cắt là ϖc= 2L/3 và góc pha tới hạn xấp xỉ 50o Mục ñích là tạo ra ñặc tính của hệ kín giống như ñặc tính của L(s)/L(s)+1 Khi ta ñã

có ñược mô hình hệ hở L(s) thì mô hình của bộ ñiều khiển sẽ là R(s) = L(s)/P(s)

FOPDT ta chọn bộ ñiều khiển PI có hàm truyền

)

1 1

(

)

(

Ts K

1 ( ) (

2

1s T s T

e K

s P

Ls

+ +

2 1

2 1 2

1 2

3

) (

2

T T

T T T T T T KL

T T

+

= +

=

+

Phương pháp Haalman phù hợp với ñối tượng ñáp ứng ñơn vị dao ñộng

(overdamp) và có trễ lớn Trên thực tế, do tần số cắt ϖctỷ lệ với nghịch ñảo của L

nên hệ thống sẽ quá nhanh nếu L quá nhỏ

1.3.2.2 Ph ương pháp Chien-Hrones-Resweick

Phương pháp Chien-Hrones-Resweick sử dụng hàm quá ñộ h(t) của ñối tượng

Phương pháp Chien-Hrones-Resweick cũng giả thiết rằng ñối tượng là ổn ñịnh, hàm

quá ñộ không dao ñộng và có dạng hình chữ S Tuy nhiên phương pháp này thích

Ts

K s

G

) 1 ( ) (

+

=

Hình 1.8: ðường ñặc tính quá ñộ của ñối tượng theo phương pháp

Chien-Hrones-Resweick

Cụ thể là những ñối tượng có hàm quá ñộ h(t) thoả mãn b/a>3 Trong ñó a là

hoành ñộ giao ñiểm của tiếp tuyến tại ñiểm uốn của hàm quá ñộ với trục thời gian

và b là khoảng thời gian cần thiết ñể tiếp tuyến ñó ñi từ 0 tới giá trị K =

∞

→

t

limh(t) Từ dạng hàm quá ñộ h(t) Chien-Hrones-Resweick ñã ñưa ra bốn cách xác ñịnh tham số

ñiều khiển cho 4 chất lượng yêu cầu khác nhau như sau:

quá ñiều chỉnh σ% = 0

Bảng 1.1: Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh σ% = 0

ñiều chỉnh không quá 20%

Bảng 1.2: Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh không quá 20%

Yêu cầu tối ưu tín hiệu ñặt trước (giảm sai lệch bám) và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh ∆hmax không vượt quá 20% so với K lim t h( )

5 ,

- Coi khoảng a tương ñương L b/a = 500/60 = 8.88 > 3

1.3.2.3 Ph ương pháp Kappa – Tau (KT)

Phương pháp này ñưa ra thông số bộ ñiều khiển dựa vào sự ñánh giá chất lượng hệ thống trên miền tần số Gọi Gs là biên ñộ ñiều chỉnh, giới hạn biên ñộ ñược xác ñịnh như sau:

) ( 1

1 max

ω

j L

G s

+

= Với L(jw) là hàm truyền của hệ thống trên miền tần số (biểu ñồ Bode)

Phương pháp Kappa-Tau xác ñịnh Gs bởi hai trị số 1.4 và 2.0 Khi Gs = 1.4 thì có tác dụng duy trì việc ñiều chỉnh, khi Gs = 2.0 thì việc ñiều chỉnh sẽ tác ñộng nhanh Khi có mô hình ñối tượng, ta xác ñịnh ñược T, L và chuẩn hóa chúng thành: ;

L

+

=

τ

Với : - µ: là hệ số khuếch ñại ñối tượng

- L: thời gian trễ của ñối tượng

- T: hằng thời gian quán tính của ñối tượng

Theo phương trình này, thông số ñiều khiển ñược tính theo công thức:

0 ( 1 τ 2 τ2)

α

A A

e

A

2 1 0

τ

B B

τ

τ D D

e D

Các hệ số Ai, Bi, Ci có thể chọn theo bảng Kappa – Tau, ứng với mỗi ñối tượng và yêu cầu khác nhau thì ta chọn thông số ñiều khiển khác nhau, trong ñó các hệ số A,B,C ñược chọn trong bảng:

Bảng 1.5: Bảng lựa chọn các hệ số theo phương pháp Kappa Tau

1.4 đánh giá chất lượng hệ thống ựiều chỉnh tự ựộng công nghiệp hiện nay

1.4.1 Các thông số của các bộ ựiều khiển sử dụng các thuật toán kinh ựiển ựối với lò gió nóng

Bảng 1.6 Các thông số của các bộ ựiều khiển sau khi tiến hành thắ nghiệm sử

dụng các thuật toán kinh ựiển ựối với lò gió nóng

Phương pháp Hallman

đối tượng

1498

5.0)(

5.0)(

5.0)(

T

K

= 298,8

Phương pháp Ziegler Ờ Nichols

5.0)(

G

p

;

- Sử dụng PI: Kp = 0,45Ku = 0,45.10 = 4,5; Ti = 0,85.Tu = 0,85.300 = 255;

Ki = Kp/Ti = 0,01765

- Sử dụng PID: Kp = 0,6.Ku = 0,6.10 = 6; Ti = 0,5.Tu = 0,5.300 = 150; Td = 0,12.300 = 36; cũng

b Tối ưu giảm ảnh hưởng nhiễu, hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh ∆hmax không vượt quá 20% so với

h∞=lim t h( )

t→ ∞

- Bộ PI: Kp = 7b/(10ak) = 5,8333; Ki = 0,04227

- Bộ PID: Kp = 3b/(5ak); Ti = b; Td = 0,5a; Kp

= 5; Ki = 0,01; Kd = 150

d Tối ưu theo tín hiệu ñặt trước (giảm sai lệch bám), hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh ∆hmax không vượt quá 20% so với h∞ = lim t h( )

- Bộ PI: Kp = 6b/(5ak); Ti = b; Kp = 10; Ki = 0,02

- Bộ PID: Kp = 19b/(20ak); Ti = 1,35b; Td = 0,47; Kp = 7,9167; Ki = 0,01173; Kd = 223,251 Phương pháp Kappa – Tau

(KT)

+Chọn bộ PI tác ñộng nhanh (Gs = 2,0): tính ñược Kp = 8,952; Ti = 367,802 hay Ki = Kp / Ti = 0,02434

+Chọn bộ PID tác ñộng nhanh (Gs = 2,0): tính ñược Kp = 56,069;Ti = 161,796; Td = 41,914 Khi

ñó Ki = 0,347; Kd = 2350,076

1.4.2 So sánh nhận xét các phương pháp Hallman, SO, Kappa Tau, Ziegler-Nichols

Ta nhận thấy rằng khi có thêm thành phần vi phân vào, ñặc tính của hệ xấu ñi trong các trường hợp tương ứng nếu so sánh không có thành phần vi phân Tức là ñặc tính của hệ khi sử dụng PI tốt hơn khi sử dụng PID Do ñó, ta chỉ so sánh các phương pháp khi lựa chọn bộ ñiều khiển PI

Hình 1.9 So sánh các bộ PI của Hallman, Kappa Tau, Ziegler theo ñặc tính ra

của hệ thống

Hình 1.10 ðặc tính của hệ với bộ PI của các phương pháp Hallman, SO,

Kappa Tau, Ziegler

Nhận xét: Khi lựa chọn bộ ñiều khiển PI theo các phương pháp trên:

- ðặc tính của hệ khi sử dụng phương pháp SO có thời gian ổn ñịnh dài nhất

- ðặc tính của hệ khi dung phương pháp Ziegler – Nichols 1 có ñộ quá ñiều chỉnh lớn nhất

- Khi sử dụng phương pháp Hallman, Kappa Tau, Ziegler – Nichols 2 thì ñáp ứng của hệ có ñộ quá ñiều chỉnh trung trung bình < 20% (khi ñầu vào bằng 1, quá ñiều chỉnh không vượt quá 1,2) Sử dụng khá tốt cho ñối tượng xấp xỉ về quán tính bậc nhất có trễ Trong ñó phương pháp Hallman và Kappa Tau ổn ñịnh nhanh hơn Ziegler – Nichols 2

- ðặc tính ra của hệ thống khi sử dụng phương pháp Kappa Tau dao ñộng ít lần hơn khi sử dụng phương pháp Hallman trong khoảng thời gian quá ñộ

1.4.3 So sánh các trường hợp của Chien – Hrones – Reswick

Sau khi mô phỏng từng trường hợp của phương pháp này, ta nhận thấy khi sử dụng PI tốt hơn khi sử dụng PID Do ñó ta chỉ so sánh các trường hợp lựa chọn thông số PI của phương pháp này

Hình 1.11 So sánh các trường hợp lựa chọn thông số PI

của Chien – Hrones – Reswick

Hình 1.12 đáp ứng của hệ thống khi sử dụng các cách lựa chọn thông số PI của

Chien Ờ Hrones Ờ Reswick

* Nhận xét:

(c): Không có ựộ quá ựiều chỉnh

(d): độ quá ựiều chỉnh nhỏ (trong ba cách chọn a, b, c, d)

Trong cả bốn cách chọn, (d) có thời gian ổn ựịnh ngắn nhất

Vậy áp dụng cho ựối tượng có tham số biến thiên chậm, ta có thể sử dụng cách chọn (d): tối ưu theo tắn hiệu ựặt trước (giảm sai lệch bám), hệ kắn có ựộ quá ựiều chỉnh không vượt quá 20% Hoặc nếu yêu cầu không quá ựiều chỉnh thì chọn (c): tối ưu theo tắn hiệu ựặt trước và hệ kắn không có ựộ quá ựiều chỉnh (trường hợp c này ở phần trước thì PID tốt hơn PI)

1.4.4 So sánh 3 phương pháp Hallman, KappaTau, Chien Ờ Hrones Ờ Reswick

Hình 1.13 So sánh 3 phương pháp Hallman, KappaTau, Chien Ờ Hrones Ờ

Reswick

Hình 1.14 đáp ứng của hệ thống khi sử dụng PI của Hallman, Kappa Tau,

Chien Ờ Hrones Ờ Reswick

* Nhận xét:

- Bộ PI lựa chọn theo Chien Ờ Hrones Ờ Reswick trường hợp d cho ựối tượng quán tắnh bậc nhất có trễ là tốt hơn bộ PI theo Hallman và KappaTau

1.5 Tóm lại

Ở chương 1 luận văn ñã thực hiện việc tổng hợp, khảo sát bộ PID theo các phương pháp kinh ñiển với ñối tượng ñiều khiển là lò gió nóng của phòng thí nghiệm Qua chương này ta thấy rằng chất lượng ñiều chỉnh còn chưa ñược cao và ñây là cơ sở ñể nghiên cứu các chương sau sao cho chất lượng ñiều chỉnh ñược nâng lên

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG

ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG

CẤU TRÚC PID CÓ THỐNG SỐ THAY ðỔI

Bộ ñiều khiển PID là một phần ñược sử dụng rộng rãi và phổ biến trong công nghiệp.ðể ñáp ứng xu hướng ngày càng phát triển của ñiều khiển công nghiệp, người ta ñã tìm ra những bộ ñiều khiển có thông số thay ñổi (tự chỉnh) và thích nghi, mờ kết hợp ñiều khiển kinh ñiển ñể tạo ra những bộ ñiều khiển hiệu quả Lĩnh vực nghiên cứu này khá mới mẻ do ñó việc nghiên cứu, xây dựng bộ ñiều khiển PID có thông số thay ñổi (tự chỉnh) ñã ñược nhiều khoa học lớn trên thế giới ñề cập như Dumont, Nishikawa, Ziegler-Nichols, Astrom, Hagglund, Hang… Do ñó, việc nghiên cứu này có ý nghĩa thiết thực

2.1 ðịnh nghĩa về ñiều khiển có thông số thay ñổi (tự chỉnh)

Hình 2.1 Ví dụ về ñiều khiển có thông số thay ñổi (tự chỉnh)

ðối với hệ thống ñiều khiển tự ñộng, khâu ñiều khiển thu ñược thông số ñiều chỉnh lấy ñược từ so sánh giữa tín hiệu ra ñiều khiển và lượng ra ở ñối tượng, tức là các thông số ñiều chỉnh sẽ biến ñổi theo quá trình làm việc của hệ thống

Khi xét ñến chất lượng của hệ thống, vấn ñề xét ñặc tính hội tụ hay ổn ñịnh trở nên phức tạp hơn nếu các thông số ñiều chỉnh biến ñổi theo thời gian