Thiết kế hỉnh định bộ điều khiển pid ho đối tượng đa biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *********♦********* NGHIÊM XUÂN SƠN THIẾT KẾ CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG ĐA BIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS HOÀNG MINH SƠN HÀ NỘI 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057208484911000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG ĐA BIẾN NGHIÊM XUÂN SƠN HÀ NỘI 2008 MỤC LỤC CHƯƠNG Mở đầu CHƯƠNG Phân tích hệ thống điều khiển đa biến 2.1 Sơ đồ hệ thống chuẩn hố tín hiệu 2.2 Lựa chọn mơ hình 10 2.3 Các số đánh giá hệ thống 12 2.4 Khả điều khiển đối tượng 18 2.5 Biên độ hệ số khuếch đại hệ thống đa biến 20 2.5.1 Giới hạn biên độ phụ thuộc hệ số khuếch đại vào hướng vectơ tín hiệu 20 2.5.2 Phép phân tích giá trị suy biến – SVD 23 2.5.3 Nhận xét tính chất đối tượng dựa kết phép phân tích giá trị suy biến 26 2.6 Điểm không điểm cực 28 2.6.1 Điểm không điểm cực đối tượng đơn biến 29 2.6.2 Điểm không điểm cực đối tượng đa biến 32 2.7 Tương tác kênh 38 CHƯƠNG Thiết kế điều khiển đa biến 42 3.1 Bộ điều khiển tách kênh 42 3.2 Bộ điều khiển PID 49 3.2.1 Cấu trúc điều khiển PID 49 3.2.2 Bộ điều chỉnh PID lý tưởng 51 3.2.3 Phân loại phương pháp thiết kế 54 3.2.4 Phương pháp Ziegler-Nichols tổng quát 56 3.2.5 Phương pháp Biggest Log Modulus (BLT) 59 3.2.6 Phương pháp dịch chuyển đường Nyquist 60 3.2.7 Phương pháp chỉnh định Iterative Feedback 62 3.2.8 Phương pháp Controller Parameter Cycling 65 3.2.9 Phương pháp xấp xỉ đáp ứng tần số 67 3.2.10 Các phương pháp khác 69 CHƯƠNG Ví dụ minh hoạ tháp chưng luyện 70 4.1 Phân tích đối tượng 70 4.2 Các phương án thiết kế 71 4.2.1 Phương pháp BLT 71 4.2.2 Phương pháp dịch chuyển đường Nyquist (APM) 75 4.2.3 Phương pháp xấp xỉ đáp ứng tần số 77 4.2.4 Phương pháp mơ hình nội 79 4.2.5 Các phương pháp thiết kế khác 82 4.3 Mô 85 4.3.1 Trường hợp danh định 85 4.3.2 Ảnh hưởng nhiễu đầu vào 88 4.3.3 Ảnh hưởng sai lệch mơ hình 91 CHƯƠNG Kết luận 94 CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN r : Tín hiệu chủ đạo/giá trị đặt y : Tín hiệu đầu ym : Giá trị đo tín hiệu đầu u : Tín hiệu điều khiển n : Nhiễu đo d : Nhiễu tải e : Sai lệch giá trị đặt đầu G ( s) : Hàm truyền đạt/Ma trận truyền đạt đối tượng điều khiển K ( s ) : Hàm truyền đạt/Ma trận truyền đạt điều khiển L ( s ) : Hàm truyền đạt/Ma trận truyền đạt vòng hở kC : Hệ số khuếch điều khiển TI : Hằng số thời gian tích phân TD : Hằng số thời gian vi phân kP : Hệ số khuếch đại thành phần tỷ lệ kI : Hệ số khuếch đại thành phần tích phân kD : Hệ số khếch đại thành phần vi phân ku : Hệ số khuếch đại tới hạn ω u : Tần số tới hạn G d ( s ) : Hàm truyền đạt/Ma trận truyền đạt nhiễu S ( s ) : Hàm nhạy T ( s) : Hàm bù nhạy/Hàm truyền đạt vịng kín G ( jω ) : Đặc tính tần RHP: Right Half Plane AM: Độ dự trữ biên PM: Độ dự trữ pha MS: Giá trị cực đại hàm nhạy MT: Giá trị cực đại hàm bù nhạy RGA: Ma trận hệ số khuếch đại tương đối TITO: Đối tượng vào – (Two Input Two Output) CHƯƠNG Mở đầu Cho đến đầu kỷ 21 này, dây chuyền cơng nghệ chế biến hồn thiện nhiều, phức tạp, yêu cầu khống chế chặt chẽ nhiều yếu tố công nghệ nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,… để đảm bảo khả làm việc an toàn, hiệu Các hệ thống điều khiển trình ngày phát triển phần lớn xây dựng dựa sở điều khiển đơn giản rơ le, PID,… Vì vậy, bên cạnh việc phát triển cấu trúc điều khiển cao cấp dựa tảng phần cứng mạnh, phương pháp thiết kế, chỉnh định điều khiển đơn giản dựa thiết bị phần cứng chi phí thấp, làm việc ổn định liên tục đề xuất Vấn đề đặt thiết kế phải để điều khiển này, vốn xây dựng cho vòng điều khiển đơn biến, thích ứng với hệ thống đa biến công nghiệp đại Bộ điều khiển PID ví dụ tiêu biểu Với ưu điểm đơn giản, dễ chỉnh định, làm việc ổn định lịch sử thành công 60 năm, PID giải pháp phổ biến cho hệ thống điều khiển trình Tuy nhiên so với hàng trăm phương pháp chỉnh định PID đơn biến số phương pháp chỉnh định PID đa biến đề xuất nhiều Tài liệu tiếng Việt vấn đề thiết kế điều khiển đa biến nói chung lại Ngồi ra, hệ thống điều khiển thu từ phương pháp thiết kế thường đánh giá qua ví dụ minh hoạ số miền thời gian vốn khơng phản ánh đầy đủ chất hệ kín cách tổng quát Để phần khắc phục vấn đề trên, luận văn hoàn thành nhằm giới thiệu số phương pháp thiết kế, chỉnh định PID cho đối tượng đa biến với số cơng cụ phân tích, đánh giá hệ thống trước sau thiết kế điều khiển Từ làm sở cho việc lựa chọn phương pháp thiết kế phù hợp ứng dụng thực tế hướng nghiên cứu mặt lý thuyết sau Nội dung luận văn trình bày ba chương sau: Chương 2: Giới thiệu số vấn đề tiêu biểu phân tích hệ thống đa biến, khả điều khiển hệ thống qua việc phân tích biên độ hướng vectơ tín hiệu, điểm không, điểm cực hệ thống tương tác kênh Mục đích chương cung cấp công cụ để đánh giá hệ thống chưa có điều khiển (đánh giá độ khó tốn điều khiển) có điều khiển (đánh giá kết giải toán điều khiển) Chương 3: Trình bày phương pháp thiết kế điều khiển tách kênh Giới thiệu, phân tích ưu nhược điểm số phương pháp thiết kế điều khiển PID cho đối tượng đa biến bao gồm phương pháp áp dụng thành công thực tế phương pháp đề xuất gần Chương 4: Phân tích thiết kế điều khiển PID đa biến cho mơ hình đối tượng tháp chưng luyện Mục đích chương minh họa phương pháp phân tích hệ thống thiết kế điều khiển trình bày hai chương trước đồng thời đánh giá kết thu từ phương pháp khác qua thấy ưu nhược điểm phạm vi áp dụng phương pháp Chương cuối kết luận kết thu luận văn hướng phát triển Mặc dù gặp nhiều khó khăn thời gian điều kiện làm việc luận văn hoàn thành nhờ bảo, giúp đỡ tận tình thầy cô môn Điều khiển tự động suốt hai năm qua, đặc biệt PGS TS Hoàng Minh Sơn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô CHƯƠNG Phân tích hệ thống điều khiển đa biến 2.1 Sơ đồ hệ thống chuẩn hoá tín hiệu Trong ứng dụng thực tế, tính chất đối tượng điều khiển, thiết bị đo lường, chấp hành yêu cầu công nghệ nên hệ thống điều khiển đa biến có nhiều cấu trúc khác nhau: truyền thẳng, phản hồi, tầng, bù nhiễu trực tiếp,… Những hệ thống lớn thường kết hợp phức tạp cấu trúc Trong cấu trúc phản hồi yếu tố thiếu có khả khơng chế đủ xác đầu hệ thống có sai lệch mơ hình chịu tác động nhiễu khơng đo Vì vậy, để đảm bảo khả áp dụng rộng rãi, nội dung tập trung vào cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi bậc tự sơ đồ sau: Hình 2-1: Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi bậc tự Với vectơ tín hiệu: r : Tín hiệu chủ đạo/giá trị đặt y : Tín hiệu đầu ym : Giá trị đo tín hiệu đầu u : Tín hiệu điều khiển n : Nhiễu đo d : Nhiễu tải Lý thuyết điều khiển tự động thường sử dụng cơng cụ tốn học để phân tích hệ thống, tín hiệu vào/ra coi hàm số tốn học t, quan tâm đến chất vật lý Thực tế tín hiệu truyền tải đại lượng vật lý nhiệt độ, áp suất,… Với hệ thống đa biến đại lượng đa dạng, khác chất vật lý hay độ lớn Điều đơi gây khó khăn áp dụng kết lý thuyết vào thực tiễn chuyển vấn đề thực tế sang ngôn ngữ lý thuyết Để đơn giản hố việc phân tích thiết kế, tín hiệu hệ thống cần chuẩn hố đại lượng không thứ nguyên với biên độ thuận tiện cho việc so sánh đánh giá Trong khuôn khổ luận văn này, hệ thống phân tích đánh giá dựa mơ hình tuyến tính hố điểm làm việc Do đó, để thuận tiện cho việc phân tích, tín hiệu hệ thống chuẩn hố cho độ lớn không vượt điểm làm việc: Các tín hiệu hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm: – Giá trị đặt: rˆ – Tín hiệu điều khiển: uˆ – Tín hiệu đầu ra: yˆ – Nhiễu: dˆ – Sai lệch: eˆ