C Ấ N Đ ÌN H S IN H BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cấn Đình Sinh Đ IỀ U K H IỂ N V À T Ự Đ Ộ N G H Ó A XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH THÍCH NGHI THAM SỐ PID VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂN[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CẤN ĐÌNH SINH Cấn Đình Sinh ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA XÂY DỰNG THUẬT TỐN CHỈNH ĐỊNH THÍCH NGHI THAM SỐ PID 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 – Năm2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131946891000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cấn Đình Sinh XÂY DỰNG THUẬT TỐN CHỈNH ĐỊNH THÍCH NGHI THAM SỐ PID 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 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………………… DANH MỤC HÌNH VẼ………………………………………………………………….4 DANH MỤC BẢNG…………………………………………………………………… LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG THUẬT TỐN NHẬN DẠNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.1 Tổng quan điều khiển thích nghi 1.1.1 Sơ lược điều khiển thích nghi 1.1.2 Lịch sử phát triển điều khiển thích nghi 10 1.2 Các sơ đồ điều khiển thích nghi 12 1.2.1 Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS) 12 1.2.2 Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh 13 1.3 Mơ hình q trình ngẫu nhiên 15 1.3.1 Mơ hình rời rạc 15 1.3.2 Mô hình nhận dạng 15 1.4 Nhận dạng trình 18 1.4.1 Các vấn đề nhận dạng điều khiển thích nghi 19 1.4.2 Các thuật toán nhận dạng 21 1.4.3 Nguyên lý phương pháp bình phương tối thiểu 22 1.4.4 Nhận dạng hồi quy sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu 23 CHƯƠNG 26 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI 26 2.1 Bộ điều khiển PID miền thời gian liên tục 26 2.1.1 Sơ lược điều khiển PID 26 2.1.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID 27 2.2 Các điều khiển PID số 36 2.3 Các điều khiển PID số cải tiến 43 2.3.1 Lọc thành phần vi phân 44 2.3.2 Hạn chế thay đổi lớn đầu điều khiển 46 2.4 Bộ điều khiển PID thích nghi 48 2.4.1 Sơ lược phương pháp tổng hợp thông số điều khiển PID tự chỉnh 49 2.4.2 Thuật tốn tổng hợp thơng số điều khiển PID tự chỉnh dựa phương pháp gán điểm cực 52 2.4.3 Nhận dạng thông số đối tượng điều khiển bậc hai 58 CHƯƠNG 61 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 61 3.1 Thông số đối tượng điều khiển 61 3.1.1 Đối tượng điều khiển 61 3.1.2 Lựa chọn thông số cho điều khiển 61 3.2 Xây dựng mơ hình mơ 63 3.2.1 Kết mô thông số đối tượng số 63 3.2.2 Kết mơ có thơng số đối tượng thay đổi 65 3.2.3 Ảnh hưởng thông tin a priori 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 KẾT LUẬN 72 KIẾN NGHỊ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn: “Xây dựng thuật tốn chỉnh định thích nghi tham số PID đánh giá khả ứng dụng công nghiệp” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo GS.TS Nguyễn Doãn Phước Các số liệu kết chưa cơng bố Để hồn thành luận văn 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 hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2014 Học viên thực Cấn Đình Sinh DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi 10 Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thích nghi mơ hình mẫu 13 Hình 1.3 Sơ đồ khối điều khiển tự tổng hợp 14 Hình 1.4 Sơ đồ khối mơ hình hồi qui ARX 17 Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển PID 26 Hình 2.2 Điều khiển hồi tiếp với điều khiển PID 27 Hình 2.3 Đáp ứng q độ hệ hở có dạng hình chữ S 28 Hình 2.4 Xác định số khuyếch đại tới hạn 29 Hình 2.5 Đáp ứng độ đối tượng k = kth 29 Hình 2.6 Đáp ứng độ phù hợp cho phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 30 Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi 32 Hình 2.8 Các phương pháp rời rạc hóa thành phần tích phân 38 Hình 2.9 Đáp ứng bước điều khiển PI 40 Hình 2.10 Đáp ứng bước điều khiển PID 40 Hình 2.11 Cấu trúc điều khiển PID tự chỉnh 49 Hình 2.12 Sơ đồ khối cho vịng điều khiển điều khiển gán điểm cực 55 Hình 3.1 Mơ hình mơ đáp ứng đối tượng bậc hai 62 Hình 3.2 Đáp ứng đối tượng bậc hai với thông số ωn = ξ = 0.7 62 Hình 3.3 Mơ hình mơ điều khiển đối tượng bậc hai sử dụng bơ điều khiển PID thích nghi trường hợp thông số đối tượng không đổi 63 Hình 3.4 Đáp ứng đầu hệ thống không thông số đối tượng khơng đổi 64 Hình 3.5 Thơng số đối tượng nhận dạng đối tượng có thơng số khơng đổi 64 Hình 3.6 Tín hiệu điều khiển trường hợp thông số đối tượng không đổi 65 Hình 3.7 Sai lệch trường hợp thông số đối tượng không đổi 65 Hình 3.8 Mơ hình mơ điều khiển đối tượng bậc hai sử dụng bơ điều khiển PID thích nghi trường hợp thông số đối tượng thay đổi 66 Hình 3.9 Đáp ứng đầu thông số đối tượng thay đổi 67 Hình 3.10 Thơng số đối tượng thuật toán nhận dạng nhận dạng trường hợp thông số đối tượng thay đổi 67 Hình 3.11 Tín hiệu điều khiển trường hợp thơng số đối tượng thay đổi 68 Hình 3.12 Tín hiệu sai lệch trường hợp thơng số đối tượng thay đổi 68 Hình 3.13 Đáp ứng đầu thông tin a priori Θ T = [ a1, b1, a ,b ] = [0.1;0.1;0.1;0.1] 69 Hình 3.14 Thơng số đối tượng thông tin apriori Θ T = [ a1, b1, a ,b ] = [0.1;0.1;0.1;0.1] 69 Hình 3.15 Đáp ứng đầu thông tin a priori Θ T = [ a1, b1, a ,b ] = [10;10;10;10] 70 Hình 3.16 Thơng số đối tượng thông tin apriori Θ T = [ a1, b1, a ,b ] = [10;10;10;10] 70 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichois thứ 28 Bảng 2.2 Các tham số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichois thứ hai 30 Bảng 2.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 31 Bảng 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 31 Bảng 2.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 32 Bảng 2.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Hrones – Reswisk 32 Bảng 2.7 Thông số điều khiển PID tăng 41 LỜI NÓI ĐẦU Ngày yêu cầu thực tế sản xuất, cơng nghệ đại địi hỏi phải có điều khiển thay đổi cấu trúc tham số để đảm bảo chất lượng hệ theo tiêu định Với yêu cầu cao chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển truyền thống nói chung khơng đáp ứng Dựa sở kỹ thuật điện, điện tử, tin học máy tính phát triển trình độ cao, lý thuyết điều khiển thích nghi đời đáp ứng yêu cầu áp dụng mạnh mẽ vào điều khiển hệ thống lớn Bộ điều khiển PID điều khiển sử dụng rộng rãi công nghiệp tính đơn giản hiệu Tuy nhiên, bơ điều khiển khơng hoạt động tốt với đối tượng có tham số thay đổi Bởi vậy, mục đích luận văn áp dụng lý thuyết điều khiển thích nghi kết hợp với điều khiển PID kinh điển nhằm điều khiển đối tượng có tham số thay đổi Nội dung luận văn gồm chương Chương 1: Thuật toán nhận dạng điều khiển thích nghi Chương 2: Bộ điều khiển PID điều khiển PID thích nghi Chương 3: Mơ đánh giá Để hồn thành luận văn em xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Doãn Phước tận tình hướng dẫn em suốt thời gian thực luận văn Hà Nội, ngày… tháng… năm 2014 Học viên thực Cấn Đình Sinh CHƯƠNG THUẬT TỐN NHẬN DẠNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI Bộ điều khiển thiết kế dựa vào thông tin tin cậy đối tượng điều khiển Khi toàn thơng tin khơng thực tế tham khảo thơng tin mơ hình đối tượng mơ hình q trình điều khiển Từ đưa biểu thức rõ ràng trình, khác biệt thực tế q trình điều khiển mơ hình ước lượng lý thuyết Mục đích mơ hình đưa mơ tả trung thực hành vi q trình Tuy nhiên, phần ‘’trung thực’’ cần làm sáng tỏ hành vi mà mơ hình cần cho mục đích sử dụng Ở mơ hình cần sử dụng để thiết kế điều khiển, nên từ ‘’trung thực’’ có nghĩa thiết kế điều khiển cho mơ hình xem xét điều kiện hoạt động thực tế Theo truyền thống trạng thái mơ hình đưa từ việc phân tích tốn học q trình lý hóa đối tượng từ việc phân tích liệu đo Mơ hình điều khiển thích nghi nghiên cứu chủ yếu theo hướng tiếp cận thứ hai Một thuật tốn nhận dạng đệ quy thơng số mơ hình q trình phần khơng ổn định điều khiển tự điều chỉnh Vì vậy, rõ ràng mơ hình thu từ hệ thống liệu q trình khơng phù hợp Do đó, lựa chọn mơ hình cho mục đích điều khiển thích nghi, cần phải xem xét giả thiết đây: Đối tượng có khả nhận dạng, có nghĩa mơ hình hóa việc phân tích giá trị đo đầu vào đầu Mơ hình phải lựa chọn từ lớp mơ hình dựa thông số đo Một tiêu chuẩn để so sánh sai khác kiểu khác mơ hình từ lớp mơ hình lựa chọn Sự sai khác định nghĩa mối liên hệ cho phép so sánh liệu đo liệu mơ hình Đối với tiêu chuẩn điều kiện cần phải thực - Cần đo cách phù hợp để phát khác hành vi mơ hình đối tượng - Phải nhạy với ảnh hưởng ngẫu nhiên sai lệch - Phải tính toán cách dễ dàng