Thiết kế các bộ điều khiển IMC PID dựa trên phương pháp khử nhiễu cho các quá trình bậc một có thời gian trễ

vii MC LC Trang bìa ph Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii ωảm tạ iii Tóm tắt iv Mc lc vi Danh mc các từ viết tắt ix Danh mc các bảng x Danh mc các hình vẽ xi CHNG 1: M ĐU 1.1. Lý do chọn đề đề tài 1 1.β. Đối tượng nghiên cứu 2 1.3. Phạm vi nghiên cứu 3 1.4. Phương pháp nghiên cứu 3 1.5. ụ nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 CHNG 2: GII THIU CỄC QUỄ TRỊNH N ĐNH VĨ Cị THI GIAN TR 4 2.1. Đặc tính động học của các quá trình tiêu biểu 4 2.1.1. Đặc tính thời gian 4 2.1.2. Đặc tính tần số 5 2.2. ωác quá trình tiêu biểu 6 2.2.1. Quá trình bậc một không có thời gian trễ 6 2.2.2. Hệ bậc hai không có thời gian trễ 7 2.2.3. Khâu trễ 9 2.2.4. Hàm bậc một có thời gian trễ 9 2.2.5. Hàm bậc hai có thời gian trễ 10 CHNG 3: PHỂN TệCH CỄC PHNG PHỄP viii ĐIU KHIN ĐIN HỊNH 11 3.1. Giới thiệu 11 3.2. Khảo sát các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID 11 3.2.1. Phương pháp của Ziegler - Nichols 11 3.2.2. Phương pháp của Lee 14 3.2.3. Phương pháp của Horn 19 3.2.4. Phương pháp của Rivera 24 CHNG 4: CỄC PHNG PHỄP THIT K PI/PID ĐIN HỊNH 31 4.1. Phương pháp tổng hợp trực tiếp 31 4.2. Phương pháp IMω 35 4.3. Phương pháp điều chỉnh theo các mối quan hệ 38 4.4. Phương pháp điều chỉnh on-line sau khi lắp đặt bộ điều khiển 40 4.5. Phương pháp đáp ứng tần số 42 4.6. Phương pháp mô phỏng máy tính 43 CHNG 5:PHNG PHỄP THIT K B ĐIU KHIN IMC-PID 44 5.1. Phương pháp xác định bộ điều khiển hồi tiếp lý tưởng 44 5.2. Thiết kế bộ điều khiển IMω-PID kết hợp bộ lọc bậc thấp 47 5.2.1. Mô hình xử lý FOPDT (First Order Plus Dead Time Process) 47 5.2.2. Mô hình quá trình tích phân cộng thời gian trễ IPDT 49 5.2.3. Mô hình quá trình không ổn định FODUP 50 CHNG 6: CỄC PHNG PHỄP ĐỄNH GIỄ TệNH N ĐNH BN VNG CA B ĐIU KHIN 51 6.1. Các tiêu chuẩn ổn định điển hình 51 6.1.1. Tiêu chuẩn ổn định ψODE 51 6.1.2. Tiêu chuẩn ổn định Nyquist 53 6.2. ωác chỉ tiêu so sánh của đặc tính đầu ra 54 6.2.1. ωác chỉ tiêu chất lượng 54 6.2.2. ωác tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng quá độ 55 6.3. Phương pháp ổn định bền vững theo giá trị Ms (Maximum Sensitivity) 57 CHNG 7:MỌ PHNG VĨ PHỂN TệCH HOT ợNG CA ix CỄC H THNG, QUỄ TRỊNH ợIU KHIN 59 7.1. Mô phỏng và phân tích quá trình bậc 1 có thời gian trễ (FOPDT) 59 7.2. Quá trình FOPDT bởi nghiên cứu của Lee et al. 61 7.γ. Mô hình tháp chưng cất 63 7.4. Các quá trình không ổn định FODUP 65 CHNG 8: KT LUN 68 TĨI LIU THAM KHO 69 x DANH MC CỄC T VIT TT FOPDT : First Order Plus Dead Time FODIP : First-Order Delayed Integrating Process FODUP : First-Order Delayed Unstable Process IAE : Integral of the Absolute Error IE : Intergal Error ISE : Intergral Square Error IMC : Internal Model Control IPDT :Integrator Plus Dead Time ITAE : Integral of the Time weighted Absolute Error Ms : Maximum Sensitivity PID : Proportional-Integral-Derivative POT : Percent Overshoot SOPDT : Second-Order Plus Dead-Time Process SODUP : Second-Order Delayed Unstable Process TV : Total Variation xi DANH MC CỄC BNG BNG Trang ψảng γ.1. ψảng thông số cho bộ điều khiển Ziegler- Nichols 13 ψảng γ.β. Xác định thông số bộ điều khiển Ziegler- Nichols 14 ψảng γ.γ. ωác quy tắc điều chỉnh IMω- PID cho các mô hình FOPDT và SOPDT . 17 ψảng γ.4. Quy tắc điều chỉnh IMω- PID cho các quá trình phức tạp khác nhau 18 ψảng γ.5. Quy tắc điều chỉnh IMω- PID cho các quá trình FODUP và SODUP 19 ψảng γ.6. Quy tắc điều chỉnh IMω- PID cho các hệ thống điều khiển bậc 19 ψảng γ.7. ωác bộ điều khiển IMω cho các quá trình với đáp ứng vòng hở chậm hơn đáp ứng vòng kín (   ) 23 ψảng γ.8. Thông số điều khiển đối với hệ bậc một có thời gian trễ 28 ψảng γ.9. ωác thông số bộ điều khiển PID theo Rivera 30 ψảng 4.1. Thiết lập bộ điều khiển PID dựa trên IMω cho G c (s) (Chien và Fruehauf, 1990) 39 ψảng 4.β. Thiết lập bộ điều khiển PID tương đương giữa dạng nối tiếp và song song40 ψảng 4.γ. Thiết lập bộ điều khiển dựa trên phương pháp ωω. 41 ψảng 7.1. Thông số bộ điều khiển PID 61 ψảng 7.β. Phân tích độ ổn định 61 ψảng 7.3. Thông số bộ điều khiển PID và ma trận thực hiện 62 ψảng 7.4. Phân tích độ ổn định 63 ψảng 7.5. Thông số bộ điều khiển PID 64 ψảng 7.6. Phân tích độ ổn định 64 ψảng 7.7 Thông số bộ điều khiển PID 66 ψảng 7.8. Phân tích độ ổn định 66 xii DANH MC CỄC HỊNH VẼ HÌNH Trang Hình γ.1. Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ 12 Hình γ.β. Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 14 Hình γ.γ. Sơ đồ hệ thống điều khiển hồi tiếp 15 Hình γ.4. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hồi tiếp vòng đơn cổ điển 19 Hình γ.5. Sơ đồ cấu trúc IMω 24 Hình 4.1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hồi tiếp 32 Hình 4.βa. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hồi tiếp cổ điển 35 Hình 4.βb. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển IMω 36 Hình 4.γ. Đồ thị thực nghiệm K Cu 41 Hình 4.4. Sơ đồ khối với nhiễu D và tiếng ồn N 43 Hình 5.1a. Sơ đồ khối của chiến lược điều khiển hồi tiếp cổ điển 44 Hình 5.1b. Sơ đồ khối của chiến lược điều khiển hồi tiếp mô hình điều khiển nội IMC 44 Hình 6.1. ψiểu đồ ψode với nhiều tần số giới hạn 52 Hình 6.β. Sơ đồ dao động duy trì liên tc trong một hệ thống điều khiển hồi tiếp 53 Hình 6.γ. ψiểu diễn giá trị Ms 57 Hình7.1. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID 59 Hình 7.2. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID 62 Hình 7.3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID 64 Hình 7.4. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID 67 1 CHNG 1 M ĐU 1.1. LỦ do chn đ tƠi: Mặc dù đã có nhiều báo cáo về kỹ thuật điều khiển tiên tiến trong các tài liệu lớn, nhưng cấu trúc IMω, cấu trúc điều khiển có chứa mô hình nội của thiết bị đã được trình bày bởi Garcia và Morari 1 , vẫn là một trong những mô hình điều khiển được sử dng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp, do sự đơn giản, linh hoạt và khả năng tiếp cận của nó. Vì vậy, một số viện và kỹ sư điều khiển tự động 2 -13,16 đã sử dng nguyên tắc IMω để thiết kế bộ điều khiển PID, mà thường được gọi là bộ điều khiển PID - IMC. Lợi thế quan trọng nhất của quy tắc điều chỉnh IMω - PID là sự cân bằng giữa hiệu suất mạch kín và độ ổn định,có thể đạt được trực tiếp bằng cách sử dng một thông số điều chỉnh duy nhất, có liên quan đến hằng số thời gian vòng lặp kín. Hơn nữa, các quy tắc điều chỉnh IMω - PID đã được chứng minh là tốt hơn với điểm đặt nhưng loại bỏ nhiễu chậm, và chính điều này sẽ trở nên xấu đi cho quá trình xử lý với một tỉ lệ nhỏ thời gian trễ/ hằng số thời gian 3,4,7 -13 . Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khử nhiễu là quan trọng hơn việc theo dõi điểm thiết lập đầu vào,cho nhiều ứng dng điều khiển quá trình.Và do đó, nó đã trở thành một vấn đề cấp thiết đối với nhiều nhà nghiên cứu. Chen và Seborg 14 chứng minh rằng bộ cộng trực tiếp có thể khử nhiễu.Trong đó, các tham số bộ điều khiển PID thu được bằng cách tính toán bộ điều khiển phản hồi lý tưởng, cho bởi đáp ứng vòng lặp kín. ψên cạnh đó, cần nhấn mạnh rằng mô hình điều khiển β bậc tự do có thể được sử dng để cải thiện hiệu suất khử nhiễu cho các quá trình có thời gian trễ khác nhau 8,9,12,13 . Trong trường hợp này, phương pháp của Lee et al. 8 là một ví d điển hình của việc áp dng các mô hình điều khiển này.Các bộ lọc IMω bao gồm một quy tắc dẫn đến việc bỏ qua chi phối quá trình được đề xuất bởi Horn et al. 7 . Hơn nữa, hiệu suất điều khiển có thể được tăng cường đáng kể bằng cách sử dng bộ điều khiển PID ghép tầng với các bộ lọc thông 2 thường, và có thể dễ dàng thực hiện trong phần cứng điều khiển hiện đại. Do đó, một số bộ điều khiển điều chỉnh thông thường 2,3,7,8,12 đã được giới thiệu mặc dù phức tạp hơn so với bộ điều khiển PID với quá trình có thời gian trễ. Tuy nhiên, khó khăn này có thể dễ dàng khắc phc bằng cách sử dng một số xấp xỉ thông minh cho phần thời gian trễ trong việc mô hình quá trình. Nhìn chung, thiết kế bộ điều khiển PID - IMω đã được thảo luận thường xuyên trong các tài liệu rất lớn, nhưng việc thiết kế một bộ điều khiển đơn giản và hiệu quả với sự cải thiện hoàn hảo về hiệu suất đã không đủ thỏa mãn cho một loạt các quá trình có thời gian trễ. Hơn nữa, một số bộ điều khiển có thể cung cấp đáp ứng điểm đặt tốt nhưng khử nhiễu kém hoặc ngược lại. Vì vậy, nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển PID theo tầng với bộ lọc đầu vào để thực hiện các mc đích điều khiển khác nhau: Các quy tắc điều khiển cần được đơn giản, hình thức phân tích, dựa trên mô hình, và dễ dàng để thực hiện trong thực tế với hiệu suất cao cho những vấn đề điều khiển và cả vấn đề ph. Một số nghiên cứu đã được thực hiện để chứng minh sự đơn giản và hiệu quả của các phương pháp được đề xuất nhằm so sánh với một số phương pháp thiết kế nổi bật, vì những bộ điều khiển được điều chỉnh để có mức độ vững vàng cùng giá trị độ nhạy cực đại (Ms). Kết quả mô phỏng xác nhận rằng phương pháp đề xuất có thể đủ khả năng điều khiển PID mạnh mẽ cho cả khử nhiễu và theo dõi điểm đặt đầu vào. 1.2. Đi tng nghiên cu Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển PID kết hợp với bộ lọc được xác định xấp xỉ với bộ điều khiển phản hồi lý tuởng, thu đuợc bằng cách sử dng trực tiếp xấp xỉ Padé bậccao, trong khi những nghiên cứu truớc đây chỉ gián tiếp sử dng xấp xỉ Pade về phần thời gian trễ. Nghiên cứu này đuợc tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển PID kết nối với một bộ lọc tiêu chuẩn, để thực hiện mc đích điều khiển khác nhau.Quy tắc điều chỉnh đơn giản, dựa trên mô hình và dễ dàng ứng dng trong thực tế với hiệu suất cao. 3 1.3. Phm vi nghiên cu Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đề xuất phương pháp hợp nhất để điều khiểncác quá trình công nghiệp có thời gian trễ.Bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế bộ điều khiển PID kết hợp với bộ lọc IMω, nhằm tăng cường hiệu suất làm việc, độ an toàn trong vận hành hệ thống, quá trìng công nghiệp. Nhiều ứng dng được nghiên cứu để chứng minh sự đơn giản và hiệu quả của phương pháp được đề xuất so với một số phương pháp thiết kế nổi tiếng khác. Kết quả mô phỏngxác nhận rằng phương pháp đề nghị có thể đủ khả năng tạo sự ổn định cho bộ điều khiển PID. 1.4. Phng pháp nghiên cu - Xác định bộ điều khiển hồi tiếp lý tưởng. - Thiết kế bộ điều khiển IMω-PID kết hợp với bộ lọc bậc thấp. - Mô phỏng, đánh giá kết quả. 1.5. ụ nghƿa khoa hc vƠ thc tin ca đ tƠi Hiện nay có nhiều phương pháp thiết kế bộ diều khiển PID khác nhau được đề xuất bởi rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới. Tuy nhiên, chưa có các phương pháp hợp nhất để thiết kế bộ điều khiển dùng cho tất cả các quá trình trong công nghiệp có thời gian trễ với tính vượt trội về hiệu quả hoạt động. ωhính vì vậy, thiết kế bộ điều khiển PID cao cấp, hợp nhất để sử dng cho tất cả các qui trình công nghiệp mang một ý nghĩa hết sức quan trọng trong thời điểm hiện tại. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu bộ điều khiển PID đã được quan tâm nhiều do nhu cầu cấp thiết trong việc áp dng vào thực tế sản xuất tại nhiều nhà máy, xí nghiệp trong nước.Đặc biệt là các nhà máy, xí nghiệp tách, lọc, chiết suất dầu khí và các sản phẩm có liên quan. 4 CHNG 2 GII THIU CỄC QUỄ TRỊNH N ĐNH VĨ Cị THI GIAN TR 2.1. Đặc tính đng hc ca các quá trình tiêu biu Đặc tính động học của hệ thống mô tả sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra của hệ thống theo thời gian khi có tác động ở đầu vào. Trong thực tế, các hệ thống điều khiển rất đa dạng, tuy nhiên những hệ thống được mô tả bằng mô hình toán học có dạng như nhau sẽ có đặc tính động học như nhau. Để khảo sát đặc tính động của hệ thống, tín hiệu vào thường được chọn là tín hiệu cơ bản như hàm xung đơn vị, hàm nấc đơn vị hay hàm điều hòa. 2.1.1. Đặc tính thi gian Đặc tính thời gian của hệ thống mô tả sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra của hệ thống khi tín hiệu vào là hàm xung đơn vị hay hàm nấc đơn vị. Nếu tín hiệu vào là hàm xung đơn vị r(t)=  (t)thì đáp ứng của hệ thống là : C(s) = R(s).G(s)=G(s) (do R(s)=1) (2.1) c(t) = L -1 {C(s)} = L -1 {G(s)} = g(t) (2.2) g(t)được gọi là đáp ứng xung hay còn gọi là hàm trọng lượng của hệ thống. Vậy đáp ứng xung là đáp ứng của hệ thống khi tín hiệu vào là hàm xung đơn vị. Theo công thức (2.2) đáp ứng xung chính là biến đổi Laplace ngược của hàm truyền.Nếu tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị r(t)=1(t)thì đáp ứng của hệ thống là:     =     .     = ()  (do     = 1  ) (2.3)     =  1  ()  =  1  ()  =        0 (2.4) ψiểu thức (β.4) có được do áp dng tính chất ảnh tích phân của phép biến đổi Laplace. Đặt: () =        0 (2.5) [...]... dù các kỹ thuật điều khiển tiên tiến cung cấp những cải tiến đáng kể, một bộ điều khiển PID được thiết kế tốt vẫn cho thấy sự phù hợp với một số lượng lớn các vòng điều khiển công nghiệp Đối với nhiều ứng d ng điều khiển quá trình, do việc khử nhiễu quan trọng hơn nhiều so với việc theo dõi giá trị đặt, việc thiết kế một bộ điều khiển thiên về khử nhiễu hơn là theo dõi giá trị đặt là vấn đề thiết kế. .. tất cả các thông số của bộ PID Với các hệ thống có các điểm zero bên phải, có hai phương án khả d ng trong việc lựa chọn + Phương án 1: suy ra từ (γ.46): + + Phương án β: = − suy ra từ (γ.47): + = + � +1 +1 1 +1 − � +1 +1 (3.50) (3.51) Với các hệ thống có thời gian trễ, bảng γ.7 sử d ng phương pháp xấp xỉ Pade để đưa ra các thông số của bộ điều khiển IMC – PID cho hệ quán tính bậc 1 có thời gian trễ. .. a, b, c & d là các thông số bộ lọc 22 Ví d v các quy t c đi u ch nh cho mô hình quán tính b c 1 có th i gian tr : Xem xét một quá trình quán tính bậc 1 có thời gian trễ: −� � +1 = (3.25) Trong đó, KP là hệ số khuếch đại ổn định, τ là hằng số thời gian,  là thời gian trễ, và hằng số thời gian vòng kín mong muốn  nhỏ hơn τ Sử d ng xấp xỉ Pade bậc 1 đối với thời gian trễ, mô hình quá trình = � 2 � 1+...  0.1  B đi u khi n PID PI ��   2 ��  2   1.54 ψảng γ.8.Thông số điều khiển đối với hệ bậc một có thời gian trễ Ngoài việc khảo sát các phương pháp thiết kế IMω – PID như trên, để ph c v cho việc so sánh, đánh giá trong chương 5 nhóm tác giả còn tham khảo các bài báo khoa học, các nghiên cứu của các tác giả khác về IMω nói riêng và các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID nói chung như: ωhien... các ph 3.2.1 Ph ng pháp thi t k b đi u khi n PID ng pháp c a Ziegler ậ Nichols Ziegler và Nichols đưa ra phương pháp xác định thông số tối ưu của bộ điều khiển PID hoặc từ đáp ứng quá độ của đối tượng hoặc từ đáp ứng quá độ của hệ thống kín  Dùng ph ng pháp quá đ c a đ i t ng Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ nhất của Ziegler – Nichols Nó có nhiệm v xác định các thông số , cho các bộ điều. .. GI là bộ điều khiển IMω ψộ điều khiển GC có thể được xấp xỉ với bộ PID (3.10) = 15 +⋯ Khai triển Maclaurin GC theo s, thu được: = 1 0 + ′ 0 + ′′ (0) 2 2 (3.11) ψộ điều khiển cho bởi công thức (γ.10) có thể xấp xỉ với bộ điều khiển PID bằng cách bỏ đi các số hạng bậc cao (s2, s3,…) từ công thức (γ.11) ψa số hạng đầu +� tiên trong khai triển trên có thể biểu diễn như là bộ điều khiển PID chuẩn cho bởi:... trong thời gian gần đây ωác phương pháp điều chỉnh PID của Rivera cùng cộng sự, Morari và Zafiriou, Horn cùng cộng sự, Lee cùng cộng sự và các phương pháp trực tiếp của Smith (DS) và Chen & Seborg (DS – d) là những ví d của hai phương pháp điều chỉnh điển hình dựa vào việc đạt được một đáp ứng vòng kín mong muốn ωác phương pháp này đạt được các thông số điều khiển PID bằng cách tính toán bộ điều khiển. .. thống với các bộ tích phân thuần nhất và các điểm zero bên phải Đôi khi, các bộ PID được bổ sung thêm một khâu trễ bậc 1 với hằng số thời gian τF Khi dạng đặc biệt của bộ PID được áp d ng vào mô hình hệ thống hồi tiếp ổn định với tất cả các giá trị > 0 Việc điều chỉnh trực tiếp bộ PID có hiệu quả bằng cách đơn giản là điều chỉnh hệ số khuếch đại KC (điều chỉnh ) Điều chỉnh  là điều chỉnh đồng thời tất... Quy tắc điều chỉnh IMω – PID cho các hệ thống điều khiển bậc 20 �1 +�2 3 � �1 +�2 3 6 � 1 +�1 +�2 �1 +�2 2 + 2 �1 + �1 + �2 3.2.3 Ph ng pháp c a Horn: Phương pháp này phát triển một bảng các quy tắc điều chỉnh IMω, trong đó cung cấp đầy đủ việc khử nhiễu không ph thuộc vị trí tác động của nhiễu trong hệ thống kín  Thiết kế bộ điều khiển d l r u + + k +- p y ++ ++ n Hình γ.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển. .. p bằng một điểm zero trong s Thế biểu thức của T trong (3.19) vào (3.15) và sắp xếp lại, ta được: = (1− ) = � � ( ) 1− � ( ) = 1− � ( ) ( ) (3.23) Hầu hết các bộ điều khiển IMω dựa trên các mô hình bậc thấp nên có bậc thấp và có thể viết dưới dạng bộ điều khiển PID với một bộ lọc bậc β: = 1+� + � 1 1+ + 2 1+ 2 + (3.24) Trong đó, kC là hệ số khuếch đại, τI là thời gian tích phân, τD là thời gian vi . hiện nhằm đề xuất phương pháp hợp nhất để điều khiểncác quá trình công nghiệp có thời gian trễ. Bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế bộ điều khiển PID kết hợp với bộ lọc IMω, nhằm. bộ điều khiển PID với quá trình có thời gian trễ. Tuy nhiên, khó khăn này có thể dễ dàng khắc phc bằng cách sử dng một số xấp xỉ thông minh cho phần thời gian trễ trong việc mô hình quá trình. . bậc một không có thời gian trễ 6 2.2.2. Hệ bậc hai không có thời gian trễ 7 2.2.3. Khâu trễ 9 2.2.4. Hàm bậc một có thời gian trễ 9 2.2.5. Hàm bậc hai có thời gian trễ 10 CHNG 3: PHỂN