Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển PI PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ

vi MỤC LỤC Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt x Danh sách các bảng xiii Danh sách các hình xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 1 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1 1.5 Tổng quan về bộ điều khiển PID 2 1.5.1 Điều khiển cổ điển 2 1.5.2 Bộ điều khiển PID 2 1.5.3 Hệ thống điều khiển hiện đại 3 1.5.4 Các hệ thống điều khiển điển hình 3 CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNGVÒNG LẶP PI/PID ĐIỂN HÌNH 6 2.1 Giới thiệu 6 2.2 Phương pháp Ziegler-Nichols (Z - N) 7 2.3 Phương pháp điều chỉnh BLT (BLT) 8 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI/PID ĐIỂN HÌNH 12 3.1 Phương pháp SAT (Loh, 1993) 12 vii 3.1.1 Vòng lặp kín với chế độ dò tự động liên tục 12 3.1.2 Thiết lập trọng số 13 3.1.3 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp SAT 14 3.1.4 Các dạng nghiên cứu 14 3.1.4.1 Ví dụ 1 14 3.3.4.2 Ví dụ 2 15 3.2 Điều chỉnh Mp 16 3.2.1 Nguyên tắc cơ bản của điều chỉnh MP 16 3.2.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều chỉnh Mp 17 3.2.3 Các dạng nghiên cứu 17 3.2.3.1 Ví dụ 1 17 3.2.3.2 Ví dụ 2 18 3.3 Thiết kế phương pháp độ lợi và pha biên đa vòng lặp (Gain and Phase Margin - GPM) 19 3.3.1 Nguyên tắc cơ bản của GPM 19 3.3.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp GMP 21 3.3.3 Các dạng nghiên cứu 22 3.3.3.1 Ví dụ 1 22 3.3.3.2 Ví dụ 2 23 3.4 Phương pháp thiết kế đa vòng lặp các miền Gershgorin (GB) 24 3.4.1 Nguyên tắc cơ bản của GB 20 3.4.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp GB 25 3.4.3 Các dạng nghiên cứu 25 3.4.3.1 Ví dụ 1 26 3.4.3.2 Ví dụ 2 26 3.5 Các phương pháp điều chỉnh phân tán λ (DLT) 27 3.5.1 Nguyên tắc cơ bản của DLT 27 3.5.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp DLT 28 3.5.3 Các dạng nghiên cứu 28 viii 3.5.3.1 Ví dụ 1 28 3.5.3.2 Ví dụ 2 29 3.6 Phương pháp một tham số (OPM) 30 3.6.1 Nguyên tắc cơ bản của OPM 30 3.6.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp OPM 31 3.6.3 Các dạng nghiên cứu 31 3.6.3.1 Ví dụ 1 31 3.6.3.2 Ví dụ 2 32 3.7 Chiến lược thiết kế độc lập 33 3.8 Phương pháp Wang 2 (RAIS) 34 3.8.1 Nguyên tắc cơ bản 34 3.8.2 Những ưu điểm và nhược điểm của RAIS 35 3.8.3 Các dạng nghiên cứu 35 3.8.3.1 Ví dụ 1 35 3.8.3.2 Ví dụ 2 36 3.9 Phương pháp Wang 1 (CRPTRO) 37 3.9.1 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp CRPTRO 37 3.9.2 Các dạng nghiên cứu 38 3.9.2.1 Ví dụ 1 38 3.9.2.2 Ví dụ 2 39 CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 40 4.1 Các chỉ tiêu chất lượng 40 4.2 Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng quá độ 40 4.3 Phương pháp ổn định bền vững theo giá trị Ms 42 CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TỐI ƯU 45 5.1 Giới thiệu 45 5.2 Phương pháp đề xuất 45 ix 5.2.1 Thiết kế của bộ điều khiển PI đa vòng lặp kín dựa trên việc cân bằng sự tương tác của các yếu tố và RGA 45 5.2.2 Phân tích hệ thống đa vòng lặp 49 5.2.2.1 Giới hạn trường hợp xấu nhất để cân đối với độ lợi tại tần số cao 49 5.2.2.2 Các cấu trúc điều khiển lựa chọn cho quá trình nhiều thời gian trễ 51 5.3 Sự điều chỉnh lại của hệ thống điều khiển đa vòng lặp để tăng cường sức mạnh và bền vững 52 5.4 Trình tự thiết kế bộ điều khiển PI đa vòng lặp 54 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN 56 6.1 Các mô hình và phương pháp so sánh 56 6.2 Mô phỏng và so sánh 56 6.2.1 So sánh phương pháp đề xuất với phương pháp mô hình tháp VL 56 6.2.2 So sánh phương pháp đề xuất với mô hình ISPR bởi Chien 59 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 x DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative BLT Biggest Log Modulus DLT The decentralized λ tuning IMC Integral Model Control IAE Integral Absolute Error ISE Integral Square Error ITAE Integral Time Absolute Error MIMO Multi-Input Multi-Output NMP Nonminimum Phase RP Robust Performance RS Robust Stability Ms Maximum Sensitivity SISO Single-Input Single-Output SSV Structured Singular Value SV Singular Value VL Vinante and Luyben WB Wood and Berry ISPR Industrial-Scale Polymerization Reactor RAIS Rational Approximation of the Irational Solutions FOPDT First Order Plus Dead Time Ký hiệu khoa học e(s) Tín hiệu sai số liên tục xi G c (s) Hàm truyền của bộ điều khiển G p (s) Hàm truyền của quá trình xử lý K c Độ lợi hệ thống điều khiển K P Độ lợi tỷ lệ K I Độ lợi tích phân T I Thời gian tích phân T D Thời gian đạo hàm t d Thời gian trễ  Thời gian trễ H(s) Hàm truyền vòng lặp kín L cm Một logarit mô đun vòng lặp đa biến p(s)(P(s)) SISO(MIMO) , biểu diễn các mô hình xử lý trong đó p =  (P =   ) là giả định () (  ()) SISO(MIMO), Mô hình xử lý   () Tất cả thông qua bởi phần tử NMP của () r(s) Giá trị thiết lập liên tục u(s) Giá trị đặt vào y(s) Giá trị đầu ra Ký hiệu la mã λ Hằng số thời gian vòng lặp kín  (A) Giá trị lớn nhất của A  (A) Giá trị nhỏ nhất của A   Thời gian đạo hàm   Thời gian tích phân xii  Tần số   Băng thông của vòng lặp kín Chỉ số trên H Chuyển vị của một ma trận phức hợp T Chuyển vị Ký hiệu đặc biệt ∀ Với mọi ∋ Sao cho xiii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1 Sửa đổi quy tắc điều chỉnh Ziegler-Nichols 25 Bảng 3.2 Thiết lập điều khiển PI cho tháp Wood và Berry (bằng phương pháp thiết kế đa vòng sử dụng miền Gershgorin) 25 Bảng 5.1 Tham số của bộ điều khiển PI đề xuất với thời gian trễ 49 Bảng 6.1 Kết quả điều chỉnh theo phương pháp đề xuất PI và phương pháp khác nhau trong phương pháp BLT và trong quy mô công nghiệp với mô hình phản ứng trùng hợp 58 xiv DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1 Bước đáp ứng cho tháp WB bằng phương pháp McAvoy 8 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đa vòng 9 Hình 2.3 Sơ đồ khối cho phương pháp điều chỉnh BLT 11 Hình 3.1 Thủ thuật điều chỉnh tuần tự cho các hệ thống 2x2 12 Hình 3.2 Các bước đáp ứng cho tháp WB bằng phương pháp SAT 15 Hình 3.3 Các bước đáp ứng cho tháp WW bằng phương pháp SAT 16 Hình 3.4 Đặc tính điển hình của các hệ thống điều khiển phản hồi 16 Hình 3.5 Các bước đáp ứng của WB sử dụng Mp 18 Hình 3.6 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng điều chỉnh Mp 19 Hình 3.7 Đồ thị Nyquist trên mặt phẳng G M G c 20 Hình 3.8 Biểu đồ Nyquist với đường tròn Gershgorin với độ lợi và pha biên giao nhau tương ứng với trong tần số   và   22 Hình 3.9 Các bước đáp ứng cho tháp WB khi sử dụng phương pháp GMP 23 Hình 3.10 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp GMP 23 Hình 3.11 Điểm tối ưu của miền Gershgorin 24 Hình 3.12 Bước đáp ứng cho tháp WB khi sử dụng phương pháp GB 26 Hình 3.13 Bước đáp ứng cho tháp WW khi sử dụng phương pháp GB 27 Hình 3.14 Các bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp DLT 29 Hình 3.15 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp DLT 30 Hình 3.16 Các bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp OPM 32 Hình 3.17 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp OPM 33 Hình 3.18 Bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp Wang 2 36 Hình 3.19 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp Wang 2 37 Hình 3.20 Bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp Wang 1 38 Hình 3.21 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp Wang 1 39 Hình 4.1 Biểu diễn giá trị Ms 42 xv Hình 5.1 Hệ thống điều khiển đa vòng lặp 46 Hình 5.2 Ảnh hưởng của Ms low trên IAE 54 Hình 6.1A Đáp ứng vòng lặp kín 1 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập cho tháp VL 57 Hình 6.1B Đáp ứng vòng lặp kín 2 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập cho tháp VL 58 Hình 6.2A Đáp ứng vòng lặp kín 1 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập của mô hình ISPR 69 Hình 6.2B Đáp ứng vòng lặp kín 2 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập của mô hình ISPR 60 [...]... thiếu các phương pháp thiết kế là vì sự phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao, thiếu tính bền vững, ổn định Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển PI/ PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ để nghiên cứu cho luận văn này 1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu Mục đích của luận văn là nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho... giữa các vòng lặp trong bộ điều khiển có sự tương tác nên sinh ra nhiễu trong quá trình xử lý gây mất ổn định và giảm hiệu suất Do đó, độ ổn định của bộ điều khiển là yêu cầu với bất kì phương pháp thiết kế nào nhằm đảm bảo hệ vòng kín hoạt động ổn định bền vững Các bộ điều khiển riêng lẻ của hệ thống điều khiển đa vòng lặp trước hết được thiết kế là bằng cách bỏ qua sự tương tác giữa các vòng lặp điều. .. dụng 1.5 Tổng quan về bộ điều khiển PID 1.5.1 Điều khiển cổ điển Bộ điều khiển được gọi là bộ điều khiển vòng hở là loại điều khiển không có kết nối trực tiếp giữa đầu ra của hệ thống và các điều kiện thực tế, do đó hệ thống không và không thể bù lại được các tác động không mong muốn Để tránh các vấn đề của bộ điều khiển vòng hở, lý thuyết điều khiển đề xuất khái niệm phản hồi Một bộ điều khiển vòng... hệ thống điều khiển điển hình, tìm ra những ưu điểm và nhược điểm của mỗi phương pháp, từ đó thiết kế các bộ điều khiển PI/ PID nâng cao sự ổn định, áp dụng hợp lý và mang lại hiệu quả cao Đề tài này đề cập đến phương pháp điều chỉnh RGA (Relative Gain Array) bằng cách nghiên cứu các tiêu chuẩn đánh giá sự ổn định và áp dụng phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink để minh chứng so với các bộ điều khiển khác... nhược điểm của phương pháp điều chỉnh Mp STT 1 2 3 4 Ưu điểm Điều chỉnh Mp dựa trên các phương pháp đáp ứng tần số là một phương pháp lợi thế để phân tích và thiết kế hệ thống MIMO bền vững Phương pháp rất thích hợp cho hầu hết các hệ thống điều khiển, thậm chí các hệ thống bậc cao hoặc thời gian trễ cao Phương pháp thuận tiện hơn cho các phép đo độ nhạy với nhiễu và tham số biến thể Phương pháp còn... định các thông số của bộ điều khiển PID Có hai phương pháp: thứ nhất được gọi là phương pháp chu kỳ liên tục được đề xuất trong năm 1942 Với mô hình cộng thêm thời gian trễ đầu điên, = 0.6 ; các thông số PID có thể được thu được từ các phương trình sau: = 0.5 ; = 0.125 (2.1) Thứ hai, được gọi là phương pháp quá trình phản ứng đường cong được đề xuất trong năm 1943 Căn cứ vào phương pháp này, bộ điều khiển. .. điều khiển thứ hai được thiết kế bằng cách xem xét các cặp đôi thứ hai và theo trình tự này để kết đôi các vòng lặp khác Các phương pháp thiết kế tuần tự có thể được sử dụng cho các bộ điều khiển có tính tương tác phức tạp khi mà phương pháp thiết kế độc lập không thể hoạt động Một bất lợi tiềm ẩn của phương pháp thiết kế này là khoảng dung sai không được đảm bảo khi các vòng lặp trước đó bị lỗi Nếu các. .. chính của thiết kế độc lập là khoảng dung sai lỗi được tự động kiểm soát Phương pháp thiết kế này có hiệu quả khi hệ thống nằm trên đường chéo ma trận Trong phương pháp thiết kế tuần tự, mỗi bộ điều khiển được thiết kế theo các bộ điều khiển thực thi Về cơ bản, một bộ điều khiển trước hết được thiết kế qua việc xem xét các chọn lựa của cặp tín hiệu đầu vào - đầu ra và vòng lặp này là kín, sau đó bộ điều. .. thống điều khiển ổn định có thời gian trễ trong công nghiệp Đánh giá được ưu điểm của của bộ điều khiển đề xuất so với các bộ điều khiển PID cổ điển để áp dụng vào quá trình nghiên cứu, đánh giá sản xuất Tìm ra hướng nghiên cứu và phát triển mới cho hệ thống, cải thiện tính làm việc liên tục của các quá trình trong công nghiệp, nâng cao chất lượng sản xuất 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Phân tích các. .. bộ điều khiển đa vòng nhằm đạt được ổn định bền vững Việc tương tác có thể được điều khiển dựa trên đường Gershgorin - 21 - Khuyết điểm Phương pháp không được phù hợp cho điều khiển thích ứng và tự động điều chỉnh Phương pháp được mở rộng từ điều khiển SISO PI/ PID (Ho, 1995) để điều khiển MIMO PI/ PID, nên đôi khi nó xảy ra mất cân bằng trong mỗi bộ điều khiển Phương pháp không hình thành đường Gersh-gorin . thuật cao, thiếu tính bền vững, ổn định. Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển PI/ PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian. đó, độ ổn định của bộ điều khiển là yêu cầu với bất kì phương pháp thiết kế nào nhằm đảm bảo hệ vòng kín hoạt động ổn định bền vững. Các bộ điều khiển riêng lẻ của hệ thống điều khiển đa vòng. 1.5 Tổng quan về bộ điều khiển PID 1.5.1 Điều khiển cổ điển Bộ điều khiển được gọi là bộ điều khiển vòng hở là loại điều khiển không có kết nối trực tiếp giữa đầu ra của hệ thống và các điều