Hiết kế bộ điều khiển pid dự báo và đánh giá khả năng ứng dụng trong ông nghiệp

PHẠM QUANG KHẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Phạm Quang Khải ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID DỰ BÁO VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA KHỐ 2011-2014 Hà Nội – Năm 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131896291000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Quang Khải THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID DỰ BÁO VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : Điều Khiển Tự Động Hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS Nguyễn Doãn Phước Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn: “Thiết kế điều khiển PID dự báo đánh giá khả ứng dụng trongcông nghiệp” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo GS.TS Nguyễn Doãn Phước Các số liệu kết chưa công bố Để hồn thành luận văn tơi sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2014 Học viên thực Phạm Quang Khải MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….1 Chương 1: Điều khiển dự báo hệ tuyến tính………………………………………… 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 Nguyên tắc điều khiển dự báo…………………………………………………… Giới thiệu chung điều khiển dự báo…………………………………………….2 Nguyên tắc điều khiển dự báo…………………………………………………… Cấu trúc điều khiển dự báo…………………………………………………… Mô hình dự báo…………………………………………………………………….5 Phiếm hàm mục tiêu…………………………………………………………… 10 Luật điều khiển………………………………………………………………… 12 Một số mơ hình dự báo thuật tốn cụ thể…………………………………… 12 Mơ hình dự báo Smith……………………………………………………………12 Phương pháp điều khiển ma trận vòng đơn DMC – Dynamic Matrix Control… 14 Phương pháp GPC – Generalized Pridictive Control…………………………….15 Chương 2: Bộ điều khiển PID dự báo…………………………………………………17 2.1 Bộ điều khiển PID miền thời gian liên tục……………………………………17 2.1.1 Sơ lược điều khiển PID…………………………………………………….17 2.1.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID………………………… 18 2.2 Phân tích điều khiển GPC – PID…………………………………………………26 2.2.1 Luật điều khiển PID số……………………………………………………………26 2.2.2 Mơ hình khơng gian trạng thái…………………………………………………….28 2.2.3 Thiết lập phiếm hàm mục tiêu GPC……………………………………………….30 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 Đáp ứng hệ thống…………………………………………………………….31 Điều khiển tối ưu GPC……………………………………………………………33 Bộ điều khiển PID dự báo: hệ thống không trễ h=0…………………………… 34 Điều khiển PID dự báo hệ thống có trễ h>0…………………………………… 36 Chương 3: Các ví dụ minh họa……………………………………………………… 41 3.1 Xây dựng thuật tốn điều khiển PID dự báo cho đối tượng không trễ bậc một…….41 3.1.1 Xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái…………………………………………41 3.1.2 Hàm mục tiêu GPC……………………………………………………………… 42 3.1.3 Nghiệm GPC………………………………………………………………………44 3.1.4 Lựa chọn trọng số điều khiển  …………………………………………………45 3.1.5 Tổng kết bước thực PI dự báo cho q trình bậc 1…………………45 3.2 Nghiên cứu mơ đối tượng không trễ bậc cụ thể……………………… 47 3.2.1 Lựa chọn thông số đối tượng…………………………………………… 47 3.2.2 Điều khiển đối tượng bậc sử dụng điều khiển dự báo Smith…………… 48 3.2.3 Xây dựng điều khiển PI dự báo cho trình bậc 1………………………… 48 3.2.4 Kết mô phỏng…………………………………………………………………51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………………….63 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo……………………………………… Hình 1.2 Chiến lược điều khiển dự báo………………………………………………… Hình 1.3 Đáp ứng xung………………………………………………………………… Hình 1.4 Đáp ứng bước nhảy…………………………………………………………… Hình 1.5 Qũy đạo quy chiếu…………………………………………………………….11 Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển theo nguyên tắc dự báo Smith……………………… 13 Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển PID……………………………………………………17 Hình 2.2 Điều khiển hồi tiếp với điều khiển PID……………………………………18 Hình 2.3 Đáp ứng độ hệ hở có dạng hình chữ S……………………………… 19 Hình 2.4 Xác định số khuyếch đại tới hạn……………………………………… 20 Hình 2.5 Đáp ứng độ đối tượng k  k th …………………………………….20 Hình 2.6 Đáp ứng độ phù hợp cho phương pháp Chien – Hrones – Reswisk…… 21 Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi………………………………………… 23 Hình 2.8 Chỉ số thời gian khoảng thời gian mục tiêu……………………………31 Hình 2.9 Cấu trúc luật điều khiển cho hệ thống khơng trễ…………………………36 Hình 2.10 Mối liên hệ trạng thái hệ thống………………………………………………38 Hình 3.1 Mơ hình mơ đối tượng bậc qn tính bậc khơng trễ sử dụng mơ hình Smith…………………………………………………………………………………… 51 Hình 3.2 Đáp ứng đầu hệ thống sử dụng điều khiển dự báo Smith………52 Hình 3.3 Tín hiệu điều khiển điều khiển cấu trúc dự báo Smith……………… 52 Hình 3.4 Mơ hình mơ PI tối ưu GPC…………………………………………….53 Hình 3.5 Đáp ứng đầu hệ thống với PI tối ưu GPC………………………… 53 Hình 3.6 Tín hiệu điều khiển PI tối ưu GPC…………………………………………54 Hình 3.7 Mơ hình điều khiển PI dự báo………………………………………… .55 Hình 3.8 Đáp ứng đầu sử dụng PI dự báo……………………………………… 55 Hình 3.9 Tín hiệu điều khiển sử dụng PI dự báo……………………………………56 Hình 3.10 Tín hiệu vi chỉnh TRIM…………………………………………………… 56 Hình 3.11 Tín hiệu sai lệch PI tối ưu GPC…………………………………………… 57 Hình 3.12 Tín hiệu sai lệch PI dự báo………………………………………………… 58 Hình 3.13 Đáp ứng đầu hệ thống với điều khiển PI tối ưu GPC………………….59 Hình 3.14 Tín hiệu điều khiển PI tối ưu GPC………………………………………… 59 Hình 3.15 Tín hiệu sai lệch hệ thống sử dụng PI tối ưu GPC………………… 60 Hình 3.16 Đáp ứng đầu hệ thống với điều khiển sử dụng PI dự báo…………60 Hình 3.17 Tín hiệu điều khiển điều khiển PI dự báo……………………………… 61 Hình 3.18 Tín hiệu sai lệch sử dụng điều khiển PI dự báo………………………61 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichois thứ nhất….19 Bảng 2.2 Các tham số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichois thứ hai……………………………………………………………………………………… 21 Bảng 2.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 1………… 22 Bảng 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 2………… 22 Bảng 2.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 3………… 22 Bảng 2.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 4………… 23 Bảng 3.1 Các giá trị tính tốn với thơng số  …………………………………… 50 LỜI MỞ ĐẦU Khi sử dụng điều khiển PID để điều khiển q trình có trễ lớn thường gặp nhiều khó khăn khó ổn định trình điều khiển Trong trường hợp sử dụng cấu trúc điều khiển dự báo Smith Tuy nhiên cấu trúc đòi hỏi phải biết xác mơ hình đối tượng điều khiển, điều đơi khó thực hiên Nếu thông tin lượng đặt biết trước sử dụng điều khiển dự báo để nâng cao chất lượng điều khiển trường hợp Luận văn nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID dự báo dành cho đối tượng có trễ với tín hiệu đặt biết trước Cấu trúc PID dự báo gồm hai phần Phần thứ thuật tốn PID với thơng số tổng hợp theo phương pháp tối ưu GPC vi chỉnh dự báo tín hiệu điều khiển Cấu trúc luận văn gồm ba chương Chương 1: Điều khiển dự báo hệ tuyến tính Chương 2: Bộ điều khiển PID dự báo Chương 3: Các ví dụ minh họa Để hoàn thành luận văn em xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Dỗn Phước tận tình hướng dẫn em suốt thời gian thực luận văn Hà Nội, ngày… tháng… năm 2014 Học viên thực Phạm Quang Khải CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ TUYẾN TÍNH 1.1 Nguyên tắc điều khiển dự báo 1.1.1 Giới thiệu chung điều khiển dự báo Điều khiển dự báo theo mơ hình (MPC – Mode Predictive Control) công cụ mạnh để điều khiển q trình cơng nghiệp, đặc biệt q trình phi tuyến, nhiều vào – nhiều Kể từ đời cách khoảng ba thập kỷ, phương pháp phát triển đáng kể lĩnh vực nghiên cứu điều khiển ứng dụng công nghiệp MPC giải pháp tổng quát cho thiết kế điều khiển miền thời gian, áp dụng cho hệ tuyến tính hệ phi tuyến, đặc biệt tín hiệu đặt biết trước Ngồi MPC điều khiển q trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có điều kiện ràng buộc Tuy nhiên, sử dụng điều kiện hạn chế, khó chứng minh tính ổn định bền vững mặt lý thuyết hệ MPC, hầu hết ứng dụng tổng kết cho thấy độ ổn định định Đây nói trở ngại để MPC phổ biến rộng rãi lĩnh vực nghiên cứu điều khiển Mặc dù vậy, kết hứa hẹn cho phép nghĩ đến việc mở rộng kỹ thuật điều khiển tương lai Tư tưởng chỉnh điều khiển dự báo theo mơ hình • Luật điều khiển phụ thuộc vào hành vi dự báo • Sử dụng mơ hình tốn học để dự báo đầu đối tượng/quá trình thời điểm tương lai (gọi miền giới hạn dự báo – pridiction horizon) • Chuỗi tín hiệu điều khiển tương lai giới hạn điều khiển (control horizon) tính tốn thơng qua việc tối thiểu hóa phiếm hàm mục tiêu (cost function) • Sử dụng sách lược lùi xa (receding strategy), tức thời điểm tín hiệu điều khiển chuỗi tín hiệu điều khiển tính tốn sử dụng, sau giới hạn dự báo lại dich bước phía tương lai Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo Các thuật tốn MPC khác khơng giống mơ hình tốn học mơ tả đối tượng/q trình, ồn nhiễu phiếm hàm mục tiêu cần tối thiểu hóa Do tính khả mở phương pháp MPC, nhiều cơng trình phát triển thừa nhận rộng rãi công nghiệp nghiên cứu Thành công ứng dụng điều khiển dự báo không công nghiệp chế biến mà cịn nhiều q trình đa dạng khác, từ điều khiển robot gây mê lâm sàng (y học) Các ứng dụng MPC công nghiệp xi măng, tháp sấy, tháp chưng cất, công nghiệp PVC, máy phát nước hay động servo giới thiệu nhiều tài liệu khác Chất lượng tốt ứng dụng cho thấy MPC có khả đạt hệ thống điều khiển hiệu cao, vận hành lâu dài bền vững MPC thể loạt ưu điểm so với phương pháp khác, bật là: • Nó đặc biệt hấp dẫn với người sử dụng có kiến thức hạn chế lý thuyết điều khiển tự động khái niệm đưa trực quan, đồng thời việc điều chỉnh tương đối dễ dàng • Nó sử dụng để điều khiển nhiều q trình, từ q trình có đặc tính động học đơn giản trình phức tạp hơn, kể hệ thống có thời gian trễ lớn hệ pha không cực tiểu, hệ không ổn định • Nó thích hợp cho việc điều khiển hệ thống nhiều vào nhiều (MIMO) • Có khả tự bù thời gian trễ • Dễ dàng thực luật điều khiển tuyến tính cho điều khiển trường hợp không hạn chế đầu vào/ra