thiết kếcác bộ điều khiển imc pid dựa trên phƣơng pháp khử nhiễu cho các quá trình bậc mộtcó thời gian trễ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ HẢI TRIỀU THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU CHO CÁC QUÁ TRÌNH BẬC MỘT CÓ THỜI GIAN TrỄ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ HẢI TRIỀU THIẾT KẾCÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU CHO CÁC QUÁ TRÌNH BẬC MỘTCÓ THỜI GIAN TRỄ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ HẢI TRIỀU THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU CHO CÁC QUÁ TRÌNH BẬC MỘTCÓ THỜI GIAN TRỄ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hƣớng dẫn khoa học: TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Tp Hồ Chí Minh tháng 10/2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: LÊ HẢI TRIỀU Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/09/1988 Nơi sinh: Ninh Thuận Quê quán: Hải Lăng, Quảng Trị Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 3/6- Hạnh Trí 1- Quảng Sơn- Ninh Sơn – Ninh Thuận Điện thoại quan: 0650.3733290 Điện thoại nhà riêng: 0938 569.871 Fax: E-mail: lehaitrieu88@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến 09/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Công Nghệ Tự Động Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU- THIẾT KẾ- THI CÔNG VÀ VIẾT PHẦN MỀM BIÊN DỊCH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH AS (AUTOSYS) Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 01/2011 ĐH SPKT Tp.HCM Người hướng dẫn: KS Nguyễn Trọng Hiếu III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 8/2011-> Trường TCN Dĩ An Giáo viên i ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) iii CẢM TẠ Trong suốt trình nghiên cứu, phân tích, đánh giá đề tài, thiết kế xây dựng luận văn, người nghiên cứu nhận giúp đỡ, động viên vô quý báu từ gia đình, thầy cô bạn bè Nhờ tác giả thực số kết định Vì thế, người nghiên cứu xin cám ơn đến tất người, quan tâm, động viên, giúp đỡ cho tác giả thời gian thực đề tài Đặc biệt, tác giả nghiên cứu xin bày tỏ lời chân thành tri ân đến: Thầy TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ, giảng viên hướng dẫn nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ suốt thời gian thực đề tài Thầy thường xuyên đưa ý kiến mang tính giải pháp, giúp tác giả giải nhiều khó khăn, đồng thời Thầy động viên, cổ vũ tinh thần cho người nghiên cứu Tất Thầy Cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, truyền thụ kiến thức cần thiết cho người nghiên cứu để thực mô hình toán viết hoàn thành luận văn Các bạn lớp CKM12B nhiệt tình động viên, cổ vũ tinh thần, có giúp đỡ thiết thực trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình người thân hỗ trợ mặt tinh thần vật chất để đề tài hoàn thành tốt đẹp TP.HCM, ngày 15tháng 8năm 2014 Ngƣời thực đề tài Lê Hải Triều iv TÓM TẮT THIẾT KẾCÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP KHỬ NHIỄU CHO CÁC QUÁ TRÌNH BẬC MỘTCÓ THỜI GIAN TRỄ Một phương pháp phân tích với điều khiển PID ghép với lọc lead/lag dựa sở mô hình điều khiển lý thuyết tiếng-mô hình điều khiển nội (IMC), đề xuất cho hệ bậc mộtvới thời gian trễ (FOPDT), điều khiển tích phân với trễ (IPDT), trình bậc không ổn định (FOPDT) Phân tích điều chỉnh theo quy luật cho điều khiển PID lọc suy cách rõ ràng để làm bật việc khử nhiễu Một vài nghiên cứu mô minh họa tiến hành cho mảng rộng quy trình thời gian trễ kết mô cho thấy rằng:Phương pháp đề xuất có khả tốt việc đánh giá cho khử nhiễu điểm đặt so sánh với phương pháp thiết kế tiếng gần đây, điều khiển nghiên cứu mô điều chỉnh để có mức độ bền vững độ nhạy tối đa Để chứng minh chắn điều khiển, mô hình trường hợp xấu không phù hợp dẫn cách chèn nhiễu loạn không ổn định tất thông số trình lúc Kết đặc tính PID xác nhận điều khiển đề xuất khử nhiễu không ổn định tốt Từ khóa:Bộ điều khiển IMC - PID, lọc lead/lag, khử nhiễu, điểm đặt v ABSTRACT DESIGN OF IMC-PID CONTROLLERSBASED ON DISTURBANCE REJECTION FORFIRST-ORDER PROCESSES WITH TIME DELAY A new analytical method for a proportional-integral-derivative (PID) controller cascaded with a lead/lag filter based on the basis of the renowned internal model control (IMC) theory is proposed for the first-order plus dead time (FOPDT), the integrator plus dead time (IPDT), and the unstable FOPDT processes Analytical tuning rules for the PID filter controller are derived in the transparent way for enhancing the disturbance rejection Several illustrative examples are conducted for a broad class of time-delay processes and the simulation results demonstrate that the proposed method affords better performances for both the disturbance rejection and set-point tracking in compared with those of recently well-known design methods, since the controllers in the simulation study are all tuned to have the same degree of robustness in terms of the maximum sensitivity To demonstrate the robustness of the controllers, the worst-case model mismatch is introduced by inserting perturbation uncertainty in all process parameters simultaneously The resulting PID characteristics confirm that the proposed controllers hold greater robustness against perturbation uncertainty Keywords: IMC-PID controller, Lead/lag filter, Disturbance rejection, Setpoint tracking vi MỤC LỤC Trang bìa phụ Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh mục từ viết tắt ix Danh mục bảng .x Danh mục hình vẽ xi CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề đề tài .1 1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.3 Phạm vi nghiên cứu .3 1.4 Phương pháp nghiên cứu .3 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .3 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH VÀ CÓ THỜI GIAN TRỄ 2.1 Đặc tính động học trình tiêu biểu 2.1.1 Đặc tính thời gian 2.1.2 Đặc tính tần số .5 2.2 Các trình tiêu biểu .6 2.2.1 Quá trình bậc thời gian trễ .6 2.2.2 Hệ bậc hai thời gian trễ 2.2.3 Khâu trễ 2.2.4 Hàm bậc có thời gian trễ 2.2.5 Hàm bậc hai có thời gian trễ 10 CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG PHÁP vii Hình 6.3 Biểu diễn giá trị Ms Theo giả thuyết chung độ nhạy nhỏ tất tần số Với điều khiển tích phân có 𝑆 𝑖𝜔 = Tần số tín hiệu nhiễu thấp giảm tác động đến điều khiển Khi thiết kế điều khiển điều quan trọng phải xác định tần số làm tín hiệu nhiễu khuếch đại Điều quan trọng giá trị lớn độ nhạy phải bị hạn chế Người ta thường yêu cầu giá trị lớn hàm nhạy Mstrong khoảng 1,3-2 Biên độ biên 𝐴𝑚 pha biên 𝜑𝑚 thước đo thông thường độ nhạy Chúng xác định biểu thức 𝐴𝑚 = (6.10) 𝐺𝑙 𝑖𝜔 𝑢 𝜑𝑚 = 𝜋 + 𝑎𝑟𝑔𝐺𝑙 𝑖𝜔𝑢 (6.11) Tại tần số giới hạn 𝜔𝑢 tần số 𝑎𝑟𝑔𝐺𝑙 𝑖𝜔 = −𝜋và tần số cắt biên 𝜔𝑔 tần số 𝐺𝑙 𝑖𝜔 = (Hình 6.3) Biên độ biên gọi khuếch đại biên Chúng có mối quan hệ: 𝐴𝑚 > 𝑀𝑠 (6.12) 𝑀𝑠−1 𝜑𝑚 > arcsin 2𝑀𝑠 (6.13) Giá trị tiêu biểu 𝜑𝑚 khoảng 30o đến 60o Biên độ biên có giá trị biến thiên khoảng đến Một cách giải thích hình học tiêu chuẩn đưa phương trình (6.1) đường cong Nyquist hàm truyền vòng lặp luôn bên vòng tròn xung quanh điểm quan trọng (-1,j0) với bán kính Một cách giải thích kỹ thuật hệ thống ổn định tăng số 𝑀𝑠 𝑀𝑠 𝑀𝑠−1 giảm vector 𝑀𝑠 𝑀𝑠+1 Các vòng kín ổn định biểu diễn dạng phi tuyếnđược đưa vào vòng lặp Giá trị Ms nhỏ đảm bảo hệ thống ổn định bất chấp đặc đặc điểm hệ phi tuyến 𝑥𝑀𝑠 𝑀𝑠+1 [...]... thông số bộ điều khiển Ziegler- Nichols 14 Bảng 3.3 Các quy tắc điều chỉnh IMC- PID cho các mô hình FOPDT và SOPDT 17 Bảng 3.4 Quy tắc điều chỉnh IMC- PID cho các quá trình phức tạp khác nhau 18 Bảng 3.5 Quy tắc điều chỉnh IMC- PID cho các quá trình FODUP và SODUP 19 Bảng 3.6 Quy tắc điều chỉnh IMC- PID cho các hệ thống điều khiển bậc 19 Bảng 3.7 Các bộ điều khiển IMC cho các quá trình với... số điều khiển đối với hệ bậc một có thời gian trễ 28 Bảng 3.9 Các thông số bộ điều khiển PID theo Rivera 30 Bảng 4.1 Thiết lập bộ điều khiển PID dựa trên IMC cho Gc(s) (Chien và Fruehauf, 1990) 39 Bảng 4.2 Thiết lập bộ điều khiển PID tương đương giữa dạng nối tiếp và song song40 Bảng 4.3 Thiết lập bộ điều khiển dựa trên phương pháp CC 41 Bảng 7.1 Thông số bộ điều khiển PID. .. Phương pháp IMC .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 CHƢƠNG 5:PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC- PID 44 5.1 Phương pháp xác định bộ điều khiển hồi tiếp lý tưởng 44 5.2 Thiết kế bộ điều khiển IMC- PID. .. hiện trong phần cứng điều khiển hiện đại Do đó, một số bộ điều khiển điều chỉnh thông thường2,3,7,8,12 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 phục bằng cách sử dụng 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 - IMC đã được thảo luận... khử nhiễu cho các quá trình có thời gian trễ khác nhau8,9,12,13 Trong trường hợp này, phương pháp của Lee et al.8 là một ví dụ điển hình của việc áp dụng các mô hình điều khiển này .Các bộ lọc IMC 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 dụng bộ điều khiển PID ghép tầng với các bộ. .. định cho bộ điều khiển PID 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Xác định bộ điều khiển hồi tiếp lý tưởng - Thiết kế bộ điều khiển IMC- PID kết hợp với bộ lọc bậc thấp - Mô phỏng, đánh giá kết quả 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 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. .. nó Cho 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 dụng 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. .. Khảo sát các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID 3.2.1 Phƣơng pháp của Ziegler – 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 phƣơng pháp quá độ của đối tƣợng Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ nhất của Ziegler – Nichols Nó có nhiệm vụ xác định các thông... 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... 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 Chính vì vậy, thiết kế bộ điều khiển PID cao cấp, hợp nhất để sử dụng 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