(Luận văn thạc sĩ hcmute) thiết kế các bộ điều khiển imc pid dựa trên phương pháp khử nhiễu cho các quá trình bậc một có thời gian trễ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ HẢI TRIỀU THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU CHO CÁC Q TRÌNH BẬC MỘT CĨ THỜI GIAN TrỄ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ HẢI TRIỀU THIẾT KẾCÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU CHO CÁC Q TRÌNH BẬC MỘTCĨ THỜI GIAN TRỄ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ HẢI TRIỀU THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU CHO CÁC Q TRÌNH BẬC MỘTCĨ THỜI GIAN TRỄ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hƣớng dẫn khoa học: TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Tp Hồ Chí Minh tháng 10/2014 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: LÊ HẢI TRIỀU Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/09/1988 Nơi sinh: Ninh Thuận Quê quán: Hải Lăng, Quảng Trị Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 3/6- Hạnh Trí 1- Quảng Sơn- Ninh Sơn – Ninh Thuận Điện thoại quan: 0650.3733290 Điện thoại nhà riêng: 0938 569.871 Fax: E-mail: lehaitrieu88@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 09/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Công Nghệ Tự Động Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU- THIẾT KẾ- THI CÔNG VÀ VIẾT PHẦN MỀM BIÊN DỊCH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH AS (AUTOSYS) Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 01/2011 ĐH SPKT Tp.HCM Người hướng dẫn: KS Nguyễn Trọng Hiếu III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 8/2011-> Trường TCN Dĩ An Giáo viên i Luan van ii Luan van LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) iii Luan van CẢM TẠ Trong suốt q trình nghiên cứu, phân tích, đánh giá đề tài, thiết kế xây dựng luận văn, người nghiên cứu nhận giúp đỡ, động viên vô q báu từ gia đình, thầy bạn bè Nhờ tác giả thực số kết định Vì thế, người nghiên cứu xin cám ơn đến tất người, quan tâm, động viên, giúp đỡ cho tác giả thời gian thực đề tài Đặc biệt, tác giả nghiên cứu xin bày tỏ lời chân thành tri ân đến: Thầy TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ, giảng viên hướng dẫn nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ suốt thời gian thực đề tài Thầy thường xuyên đưa ý kiến mang tính giải pháp, giúp tác giả giải nhiều khó khăn, đồng thời Thầy động viên, cổ vũ tinh thần cho người nghiên cứu Tất Thầy Cơ khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, truyền thụ kiến thức cần thiết cho người nghiên cứu để thực mơ hình tốn viết hồn thành luận văn Các bạn lớp CKM12B nhiệt tình động viên, cổ vũ tinh thần, có giúp đỡ thiết thực trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình người thân hỗ trợ mặt tinh thần vật chất để đề tài hoàn thành tốt đẹp TP.HCM, ngày 15tháng 8năm 2014 Ngƣời thực đề tài Lê Hải Triều iv Luan van TÓM TẮT THIẾT KẾCÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU CHO CÁC QUÁ TRÌNH BẬC MỘTCĨ THỜI GIAN TRỄ Một phương pháp phân tích với điều khiển PID ghép với lọc lead/lag dựa sở mơ hình điều khiển lý thuyết tiếng-mơ hình điều khiển nội (IMC), đề xuất cho hệ bậc mộtvới thời gian trễ (FOPDT), điều khiển tích phân với trễ (IPDT), trình bậc khơng ổn định (FOPDT) Phân tích điều chỉnh theo quy luật cho điều khiển PID lọc suy cách rõ ràng để làm bật việc khử nhiễu Một vài nghiên cứu mô minh họa tiến hành cho mảng rộng quy trình thời gian trễ kết mơ cho thấy rằng:Phương pháp đề xuất có khả tốt việc đánh giá cho khử nhiễu điểm đặt so sánh với phương pháp thiết kế tiếng gần đây, điều khiển nghiên cứu mô điều chỉnh để có mức độ bền vững độ nhạy tối đa Để chứng minh chắn điều khiển, mơ hình trường hợp xấu không phù hợp dẫn cách chèn nhiễu loạn không ổn định tất thơng số q trình lúc Kết đặc tính PID xác nhận điều khiển đề xuất khử nhiễu không ổn định tốt Từ khóa:Bộ điều khiển IMC - PID, lọc lead/lag, khử nhiễu, điểm đặt v Luan van ABSTRACT DESIGN OF IMC-PID CONTROLLERSBASED ON DISTURBANCE REJECTION FORFIRST-ORDER PROCESSES WITH TIME DELAY A new analytical method for a proportional-integral-derivative (PID) controller cascaded with a lead/lag filter based on the basis of the renowned internal model control (IMC) theory is proposed for the first-order plus dead time (FOPDT), the integrator plus dead time (IPDT), and the unstable FOPDT processes Analytical tuning rules for the PID filter controller are derived in the transparent way for enhancing the disturbance rejection Several illustrative examples are conducted for a broad class of time-delay processes and the simulation results demonstrate that the proposed method affords better performances for both the disturbance rejection and set-point tracking in compared with those of recently well-known design methods, since the controllers in the simulation study are all tuned to have the same degree of robustness in terms of the maximum sensitivity To demonstrate the robustness of the controllers, the worst-case model mismatch is introduced by inserting perturbation uncertainty in all process parameters simultaneously The resulting PID characteristics confirm that the proposed controllers hold greater robustness against perturbation uncertainty Keywords: IMC-PID controller, Lead/lag filter, Disturbance rejection, Setpoint tracking vi Luan van MỤC LỤC Trang bìa phụ Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh mục từ viết tắt ix Danh mục bảng .x Danh mục hình vẽ xi CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề đề tài .1 1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.3 Phạm vi nghiên cứu .3 1.4 Phương pháp nghiên cứu .3 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .3 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC Q TRÌNH ỔN ĐỊNH VÀ CĨ THỜI GIAN TRỄ 2.1 Đặc tính động học trình tiêu biểu 2.1.1 Đặc tính thời gian 2.1.2 Đặc tính tần số .5 2.2 Các trình tiêu biểu .6 2.2.1 Quá trình bậc khơng có thời gian trễ .6 2.2.2 Hệ bậc hai thời gian trễ 2.2.3 Khâu trễ 2.2.4 Hàm bậc có thời gian trễ 2.2.5 Hàm bậc hai có thời gian trễ 10 CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG PHÁP vii Luan van Hình 6.3 Biểu diễn giá trị Ms Theo giả thuyết chung độ nhạy khơng thể nhỏ tất tần số Với điều khiển tích phân có 𝑆 𝑖𝜔 = Tần số tín hiệu nhiễu thấp giảm tác động đến điều khiển Khi thiết kế điều khiển điều quan trọng phải xác định tần số làm tín hiệu nhiễu khuếch đại Điều quan trọng giá trị lớn độ nhạy phải bị hạn chế Người ta thường yêu cầu giá trị lớn hàm nhạy Mstrong khoảng 1,3-2 Biên độ biên 𝐴𝑚 pha biên 𝜑𝑚 thước đo thông thường độ nhạy Chúng xác định biểu thức 𝐴𝑚 = (6.10) 𝐺𝑙 𝑖𝜔 𝑢 𝜑𝑚 = 𝜋 + 𝑎𝑟𝑔𝐺𝑙 𝑖𝜔𝑢 (6.11) Tại tần số giới hạn 𝜔𝑢 tần số 𝑎𝑟𝑔𝐺𝑙 𝑖𝜔 = −𝜋và tần số cắt biên 𝜔𝑔 tần số 𝐺𝑙 𝑖𝜔 = (Hình 6.3) Biên độ biên gọi khuếch đại biên Chúng có mối quan hệ: 𝐴𝑚 > 𝑀𝑠 (6.12) 𝑀𝑠−1 𝜑𝑚 > arcsin 2𝑀𝑠 (6.13) Giá trị tiêu biểu 𝜑𝑚 khoảng 30o đến 60o Biên độ biên có giá trị biến thiên khoảng đến Một cách giải thích hình học tiêu chuẩn đưa phương trình (6.1) đường cong Nyquist hàm truyền vịng lặp ln ln bên ngồi vịng trịn xung quanh điểm quan trọng (-1,j0) với bán kính Một cách giải thích kỹ thuật hệ thống ổn định tăng số 𝑀𝑠 𝑀𝑠 𝑀𝑠−1 giảm vector 𝑀𝑠 𝑀𝑠+1 Các vịng kín ổn định biểu diễn dạng phi tuyếnđược đưa vào vòng lặp Giá trị Ms nhỏ đảm bảo hệ thống ổn định bất chấp đặc đặc điểm hệ phi tuyến 𝑥𝑀𝑠 𝑀𝑠+1