Nghiên ứu thiết kế ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ QUÝ DƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỨNG DỤNG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN LIỄN HÀ NỘI, 2005 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205122411000000 Lời cam đoan Thiết kế luận văn thạc sĩ khoa học tự thực Ngoài tài liệu đà liệt kê danh mục tài liệu tham khảo, đảm bảo không chép công trình thiết kế luận văn thạc sĩ khoa học ngời khác Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2005 Học viên thực Lê Quý Dơng Luận văn tốt nghiệp cao học -1- danh mục hình vẽ Hình 1.1: Hệ thống điều khiển kín Hình 1.2: Hệ thống điều khiển hở Hình 1.3: Hệ thống điều khiển số Hình 1.4: Mô hình động chiều 15 Hình 1.5: Vài dạng đặc tính tần đối tợng 21 Hình 1.6: Quỹ đạo nghiệm 25 Hình 1.7: Quá trình tích phân số 26 Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc trạng thái số 28 Hình 1.9: Hàm truyền đạt hệ số hở 29 Hình 1.10: Hàm truyền đạt hệ số kín 31 Hình 1.11: Mạch lu giữ bậc không 31 Hình 1.12: Mối quan hệ mặt phẳng s mặt phẳng Z 33 Hình 1.13: Bộ điều khiển PID số 34 Hình 2.1: Dải tần số mà L() lớn tốt 39 Hình 2.2: Đáp ứng dùng khâu điều khiển I ví dụ 2.2 41 Hình 2.3: Đáp øng dïng bé ®iỊu khiĨn PI vÝ dơ 2.2 42 Hình 2.4: Đáp ứng dùng điều khiển PID ví dụ 2.2 43 Hình 2.5: Minh hoạ nguyên lý điều khiển tối u đối xứng 43 Hình 2.6: Đáp ứng dùng khâu điều khiển PI ví dụ 2.3 46 Hình 2.7: Đáp ứng dùng điều khiĨn PID vÝ dơ 2.3 47 H×nh 2.8: ThiÕt kÕ khâu tiền xử lý 48 Hình 2.9: Đáp ứng dùng điều khiển PI kết hợp lọc 49 Hình 2.10: Đáp ứng dùng điều khiển PID kết hợp lọc 49 Hình 2.11: Hàm độ đối tợng quán tính có trễ 50 Hình 2.12: Hàm độ đối tợng quán tính bậc hai 51 Hình 2.13: Đáp ứng sử dụng điều khiển K ví dụ 2.4 52 Hình 2.14: Đáp ứng sư dơng bé ®iỊu khiĨn PI vÝ dơ 2.4 53 Học viên Lê Quý Dơng Luận văn tốt nghiệp cao học -2- Hình 2.15: Đáp ứng đối tợng sử dụng điều khiển PID ví dụ 53 Hình 2.16: Bộ điều khiển tỷ lệ 54 Hình 2.17: RootLocurs 55 Hình 2.18: Xác định Tgh 55 Hình 2.19: Đáp ứng h(t) ví dụ 2.5 56 Hình 2.20: Hàm độ đối tợng ví dụ 2.6 58 Hình 2.21: Hàm độ hệ kín Ví dụ 2.6 58 Hình 2.22: Đáp ứng đối tợng sử dụng PI ví dụ 2.7 60 Hình 2.23: Đáp ứng sư dơng bé PID vÝ dơ 2.7 60 H×nh 2.24: Quá trình độ với cặp điểm cực thực âm 62 Hình 2.25: Quá trình độ với cặp điểm cực phức liên hợp 62 Hình 2.26: Quá trình độ cặp điểm cực thực dơng 63 Hình 2.27: Thiết kế phản hồi trạng thái 64 Hình 2.28: Thiết kế phản hồi đầu 64 Hình 2.29: Sơ đồ cấu trúc ĐCMC kích thích độc lập 71 Hình 2.30: Sơ đồ thiết kế điều khiển gán điểm cực 71 Hình 2.31: Kết mô thiết kế điều khiển gán điểm cực 72 Hình 2.32: Kết mô lùi xa điểm cực 72 Hình 2.33: Nguyên tắc hoạt động quan sát trạng thái 73 Hình 2.34: Bộ quan sát trạng thái Luenberger 74 Hình 2.35: Điều khiển ứng dụng quan sát trạng thái Luenberger 75 Hình 2.36: Sơ đồ mô khâu quan sát động 76 Hình 2.37: Khâu Luenberger Giá trị đo liền nét, giá trị tính nét đứt 77 Hình 2.38: Bộ quan sát nhiễu 78 Hình 2.39: Khâu quan sát nhiễu 79 Hình 2.40: Điều khiển gán điểm cực sử dụng khâu quan sát trạng thái 80 Hình 2.41: Mô sử dụng khâu quan sát trạng thái 81 Hình 3.1: PID Controller 82 Hình 3.2: CÊu tróc ®iỊu khiĨn PID kinh ®iĨn 84 Häc viên Lê Quý Dơng Luận văn tốt nghiệp cao học -3- Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển mực nớc 84 Hình 3.4: Đáp ứng đối tợng có nhiễu lu lợng 85 Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng 86 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc ĐCMC kích từ độc lập 89 Hình 3.7: Đồ thị độ h(t) ĐCMC 90 Hình 3.8: Đồ thị độ h(t) 91 Hình 3.9: Loại bỏ nhiễu phụ tải cấu trúc nhiều mạch vòng 92 Hình 3.10: Cấu trúc PID kinh điển 93 Hình 3.11: Các đáp ứng đối tợng với điều khiển PID 95 Hình 3.12: Hệ thống điều khiển hai bậc tự 96 Hình 3.13: Đáp ứng với điều khiển hai bËc tù 99 H×nh 3.14(a): Feedforward Type (FF Type) 101 Hình 3.14(b): Đáp ứng thành phần thứ hai 101 H×nh 3.15: Feedback Type (FB Type) 102 H×nh 3.16: Sự thay đổi đáp ứng với tín hiệu đặt ta thay đổi 103 Hình 3.17(a): Reference-Filter Type (Filter Type) 103 Hình 3.17(b): Đáp ứng lọc F(s) 104 Hình 4.1 Sơ đồ mô tả thiết bị bàn thí nghiệm 105 Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển bàn điều khiển mức lu lợng 106 Hình 4.3 : Mức nớc dao động ta đặt PB =3 108 Hình 4.4 : Quá trình độ lu lợng vòng đơn 109 Hình 4.5 : Nhiễu tác động vào vòng ®iỊu khiĨn 110 H×nh 4.6: CÊu tróc ®iỊu khiĨn nhiỊu mạch vòng 111 Hình 4.7 : Hàm độ lu lợng 111 Hình 4.8 : Dao động hai mạch vòng điều khiển 114 Hình 4.9 : Quá trình độ sử dụng hai vòng điều khiển 115 Hình 4.10 : Nhiễu tác đông vào hệ thống hai mạch vòng 116 Học viên Lê Quý Dơng Luận văn tốt nghiệp cao học -4- lời nói đầu Trong vài năm chở lại đây, khoa học công nghệ nói chung lĩnh vực tự động hóa nói riêng đà có phát triển vững nhiều lĩnh vực nớc ta Trong công nghiệp, vấn đề ứng dụng khoa học công nghệ tự động hoá đà đợc nhà nớc ta quan tâm đầu t Tuy nhiên thực tế việc ứng dụng tự động hoá sản xuất công nghiệp chậm nhiều vấn đề cần phải quan tâm Việt Nam nớc nông nghiệp lạc hậu, đảng nhà nớc ta kiên theo đuổi mục tiêu đa nớc ta chở thành nớc công nghiệp vào thập niên 20 kỷ 21, hiƯn ®ang xóc tiÕn ®Ĩ ®a níc ta nhập tổ chức thơng mại quốc tế WTO Nhng để thâm nhập đợc vào thị trờng quốc tế, cạnh tranh với sản phẩm công nghiệp nớc khác, đòi hỏi phải có môt công nghiệp đại, sản phẩm làm vừa đảm bảo số lợng, vừa đáp ứng đợc chất lợng Để làm đợc điều đó, ngành công nghiệp cần hỗ trợ đắc lực khoa học công nghệ tự động Vì lý đà chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế ứng dụng hệ thống điều khiển tự động công nghiệp với mong muốn nâng cao đợc trình độ chuyên môn tự động hoá góp phần nỗ lực vào việc ứng dụng khoa học công nghệ tự động công nghiệp nớc ta để thúc đẩy sản xuất công nghiệp phát triển Luận văn giải vấn đề tổng hợp hệ thống cho đối tợng tuyến tính vào đà biết trớc mô hình toán học (ở dạng hàm truyền đạt hay dạng phơng trình vi phân) Với lý thuyết điều khiển tự động tuyến tính đà phát triển gần nh hoàn thiện, áp dụng phơng pháp tổng hợp hệ thống mà phơng pháp đà đem đến nhiều ứng dụng thực tế nh: tổng hợp điều khiển PID, tổng hợp điều khiển phản hồi trạng thái, hệ thống điều khiển nhiều vòng hệ thống điều Học viên Lê Quý Dơng Luận văn tốt nghiệp cao học -5- khiển nhiều bậc tự Ngoài để giải vấn đề biến trạng thái việc tổng hợp điều khiển trạng thái có đa thêm phần quan sát biến trạng thái Để giải nội dung đề tài, luận văn gồm chơng: - Chơng 1: Tổng quan lý thuyết điều khiển tự động - Chơng 2: Vấn đề thiết kế hệ thống điều khiển tự động - Chơng 3: Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng nhiều bậc tự - Chơng 4: Thực nghiệm điều khiển trình Vấn đề đào tạo nguồn nhân lực phục vụ công nghiệp hoá đại hoá nớc ta chở nên cấp thiết hết, luận văn mong muốn chở thành sợi dây liên kết đào tạo thực tiễn, giúp đỡ công nhân kỹ s tự tin bắt tay vào vấn đề thực tiễn Để hoàn thành đợc khối lợng lớn công việc mà đề tài đà đặt ra, nỗ lực thân, xin đợc bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, ngời tận tình hớng dẫn, bảo để hoàn thành đề tài Tuy nhiên, thời gian có hạn nh hạn chế thân nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Tôi mong nhận đợc bảo thầy cô giáo nh ý kiến đóng góp bạn để luận văn đạt đợc kết tốt Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2005 Học viên thực Lê Quý Dơng Học viên Lê Quý Dơng Luận văn tốt nghiệp I Mục lục Danh mơc h×nh vÏ lời nói đầu .4 ch¬ng 1: tỉng quan vỊ lý thut ®iỊu khiĨn 1.1 Giíi thiƯu vỊ lý thut ®iỊu khiĨn 1.1.1 Những khái niệm .7 1.1.2 NhiÖm vơ cđa ®iỊu khiĨn 10 1.2 Mô tả hệ thống 11 1.2.1 Đặt vÊn ®Ị 11 1.2.2 Mô hình hoá phơng pháp lý thuyết 12 a) Phơng trình vi phân mô tả quan hệ vào .13 b) Mô hình hàm truyền đặt 13 c) Mô hình trạng th¸i .14 1.3 Ph©n tÝch hƯ thèng .17 1.3.1 Đặt vấn đề 17 1.3.2 Tính ổn định hệ thống 18 a) Tiêu chuẩn đại số 19 b) Tiêu chuẩn hình học 21 1.3.3 Tính điều khiển đợc quan sát đợc .22 a) Tính điều khiển đợc 22 b) Tính quan sát đợc 22 1.3.4 ý nghÜa cđa vÞ trí điểm cực điểm không 24 1.3.5 Phơng pháp quỹ đạo nghiệm số 24 1.4 HƯ thèng ®iỊu khiĨn xung sè 26 1.4.1 Mô tả toán học 26 a) Quá trình tích phân số .26 b) Sai phân hàm rời rạc phơng trình sai phân 27 1.4.2 Phơng trình trạng thái 28 1.4.3 PhÐp biÕn ®ỉi Z 29 Học viên Lê Quý Dơng Luận văn tốt nghiệp II 1.4.4 Hàm truyền đạt 29 a) Hàm truyền đạt hệ xung sè hë 30 b) Hàm truyền đạt hệ xung số kín 31 1.4.5 Tính ổn định hÖ thèng 33 1.4.6 Bé ®iỊu khiĨn PID sè 34 1.4.7 Tính điều khiển đợc quan sát đợc .36 a) Tính điều khiển đợc 36 b) Tính quan sát đợc 37 ch¬ng 2: vÊn ®Ị thiÕt kÕ hƯ thèng 38 2.1 Phơng pháp thiết kế kinh điển .38 2.1.1 ThiÕt kÕ miền tần số 39 a) Phơng pháp tối u độ lớn 40 b) Phơng pháp tèi u ®èi xøng 45 c) Nâng cao chất lợng hệ kín ®iỊu khiĨn tiỊn xư lý .50 2.1.2 ThiÕt kÕ trªn miÒn thêi gian 53 a) Phơng pháp Ziegler-Nichols thứ .53 b) Phơng pháp Ziegler-Nichols thứ hai .57 c) Phơng pháp Chien-Hrones-Reswish 60 d) Phơng pháp số thời gian tổng cña Kuhn 63 2.2 ThiÕt kÕ cho tríc ®iĨm cùc 65 2.2.1 Đặt vấn đề 65 2.2.2 Nguyªn lý 68 2.2.3 Phơng pháp Ackermann 70 a) Nguyªn lý 70 b) ThuËt to¸n 72 2.2.4 Nâng cao chất lợng tiền xử lý 74 2.2.5 VÊn ®Ị ®iĨm cùc chuÈn .75 2.2.6 Bộ quan sát trạng thái 78 a) Đặt vấn đề 78 b) Bộ quan sát trạng thái Luenberger 80 Học viên Lê Quý Dơng Luận văn tốt nghiệp III c) Bộ quan sát trạng thái Luenberger ®iỊu khiĨn 81 Ch¬ng 3: cÊu tróc ®iỊu khiển nhiều mạch vòng 82 3.1 Cấu trúc điều khiển nhiều mạch vòng 83 3.1.1 Đặt vấn đề 83 3.1.2 CÊu tróc nhiều mạch vòng 86 3.2 CÊu tróc ®iỊu khiĨn nhiỊu bËc tù 93 3.2.1 Đặt vấn ®Ò 93 3.2.2 Giíi thiƯu vỊ cÊu tróc ®iỊu khiĨn nhiÒu bËc tù 96 3.2.3 Mét vài điều khiển PID hai bậc tự 99 3.2.4 Phơng pháp lựa chọn tham sè .104 Ch¬ng 4: Thùc nghiệm điều khiển trình .105 4.1 Giíi thiƯu vỊ bµn thÝ nghiƯm 105 a) CÊu t¹o 105 b) Môc ®Ých 106 c) Sơ đồ cấu trúc bàn điều khiển mức lu lợng 106 4.2 Xây dựng vòng điều khiển cho mức 107 a) Nguyªn lý 107 b) C¸c bíc thùc hiÖn 107 4.3 Xây dựng hai vòng điều khiển cho møc .110 a) X©y dùng vòng điều khiển lu lợng 111 b) Xây dựng vòng điều khiển 113 Kết luận kiến nghị 117 Tài liệu tham khảo 118 Häc viên Lê Quý Dơng