Bài giảng Điều khiển quá trình - Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID

Nội dung bài giảng gồm 4 phần trình bày những vấn đề cơ bản về chỉnh định bộ điều khiển PID, các phương pháp dựa trên đặc tính, các phương pháp dựa trên mô hình mẫu, bù trễ sử dụng bộ dự báo Smith. Mời các bạn cùng tham khảo.

Điều khiển trình Chương 6: Chỉnh ₫ịnh ₫iều khiển PID CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung chương 6.1 6.2 6.3 6.4 Những vấn đề Các phương pháp dựa đặc tính Các phương pháp dựa mơ hình mẫu Bù trễ sử dụng dự báo Smith Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Mục ₫ích giảng ƒ Nắm vấn đề chỉnh định tham số P/PI/PID ƒ Nắm phương pháp chỉnh định tham số điều khiển PID thông dụng điều khiển q trình ƒ Có khả lựa chọn áp dụng phương pháp phù hợp với trình thực tế Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Những vấn ₫ề ƒ Các phương pháp tiếp cận (tổng quan phương pháp chỉnh định) ƒ Vấn đề mơ hình đối tượng sử dụng ƒ Vấn đề lựa chọn kiểu điều khiển ƒ Đặc tính vòng điều khiển sử dụng điều khiển P/PI/PID ƒ Ý nghĩa việc thay đổi, hiệu chỉnh tham số Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Các phương pháp tiếp cận ƒ Dựa đặc tính q trình (đặc tính thời gian tần số): Ziegler–Nichols (I II), phản hồi rơ-le (Åstrưm Hägglund),… ƒ Dựa mơ hình q trình: – Tổng hợp theo mơ hình mẫu (hệ kín hệ hở): tổng hợp trực tiếp (Chen Seborg), chỉnh định lam-da (Dahlin), IMC (Morari Zafiriou), xấp xỉ đặc tính tần,… – Nắn đặc tính tần số (hệ kín hệ hở): tối ưu mơ-đun (Kessler), dự trữ biên-pha (Åström Hägglund, ), – Tối ưu hóa tham số (theo tiêu IAE, ISE, H∞, ) ƒ Dựa kinh nghiệm: Chỉnh định mờ, hệ chuyên gia Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Các mơ hình q trình thơng dụng ƒ Bậc nhất: ke−θs G1(s) = τs + ƒ Bậc hai: ke−θs G4 (s) = s(τs + 1) ke−θs G2(s) = s ke−θs G3 (s) = τs − ke−θs G5(s) = τ s + 2τζ s + −θs ke G5' (s) = (τ1s + 1)(τ2s + 1) k(τas + 1)e−θs G6 (s) = τ s + 2τζ s + G6' (s) k(τas + 1)e−θs = (τ1s + 1)(τ2s + 1) k(−τas + 1)e−θs G7 (s) = τ s + 2τζ s + G7' (s) k(−τa s + 1)e−θs = (τ1s + 1)(τ2s + 1) ke−θs G8 (s) = (τ1s − 1)(τ2s + 1) ke−θs G9 (s) = (τ1s − 1)(τ2s − 1) Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Q trình có ₫ộng học bậc cao? Ba cách tiếp cận: Nhận dạng xấp xỉ mơ hình bậc thấp Nhận dạng mơ hình bậc cao, sau xấp xỉ mơ hình bậc thấp (xấp xỉ giảm bậc) Thiết kế điều khiển bậc cao, sau xấp xỉ cấu trúc P/PI/PID Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Xấp xỉ theo phương pháp Skogestad Luật chia ₫ôi (half-rule) ƒ Khi cắt bỏ thành phần quán tính bậc cao đối tượng, số thời gian quán tính bị cắt bỏ cộng vào số thời gian trễ ƒ Riêng số thời gian bị cắt bỏ lớn chia đôi nửa cộng vào số thời gian trễ, nửa cộng vào số thời gian quán tính giữ lại nhỏ ƒ Đối với thành phần đáp ứng ngược bị cắt bỏ, số thời gian đáp ứng ngược cộng vào số thời gian trễ Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Công thức xấp xỉ m G (s ) = k ∏ ( −τzi s + ) i =1 n ∏ ( τ pj s + ) e−τ0s τp1 > τp2 > τp3 … j =1 −θs ke G ( s ) = τs + τ = τ p1 + τp2 n m τp2 + ∑ τ pj + ∑ τzi θ = τ0 + j =3 i =1 Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com −θs ke G ( s ) = ( τ1s + )( τ2s + ) τ1 = τ p1, τ2 = τ p τp3 + n m τp3 + ∑ τ pj + ∑ τzi θ = τ0 + j =4 i =1 © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt Căn chọn kiểu ₫iều khiển? ƒ Đặc điểm trình thiết bị – – – – Động học trình Động học thiết bị đo Đặc điểm nhiễu đo ƒ Mục đích, u cầu tốn điều khiển ƒ Vai trò, đặc điểm luật điều khiển – – – – – Vai trò ổn định hệ thống? Vai trò triệt tiêu sai lệch tĩnh? Vai trò cải thiện đặc tính động học? Tính nhạy cảm với nhiễu đo? Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 10 Ziegler-Nichols Đặt hệ thống chế độ điều khiển tay đưa dần hệ thống tới điểm làm việc, chờ hệ thống ổn định điểm làm việc Chuyển hệ thống sang chế độ điều khiển tự động với điều khiển P Đặt hệ số khuếch đại kc tương đối bé Tăng dần kc trạng thái dao động điều hòa => hệ số khuếch đại tới hạn (ku) chu kỳ dao động tới hạn (Tu) Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 18 Åström-Hägglund (phản hồi rơ-le) ku = 4d / aπ Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 19 Tyreus-Luyben Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 20 Ví dụ ₫iều khiển thiết bị trao ₫ổi nhiệt 0.75e−1.21s G(s) = (30s + 1)(5s + 1)(2s + 1) Xấp xỉ mơ hình FOPDT theo “luật chia đôi”: −5.71s 0.75 e G(s) = 32.5s + Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 21 PI PID Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 22 Các phương pháp mơ hình mẫu Đọc tài liệu (sách tài liệu điện tử) phương pháp: ƒ Phương pháp Haalman ƒ Phương pháp Dahlin (chỉnh định lamda) ƒ Phương pháp DS (Direct Synthesis) ƒ Phương pháp DS-d (Direct Synthesis with disturbance rejection preference) ƒ Phương pháp IMC (Internal Model Control) ƒ Phương pháp xấp xỉ đặc tính tần số (xem thêm tạp chí Kỹ thuật điều khiển, 6/2006 Kỷ yếu Hội nghị KH 50 năm thành lập trường ĐHBKHN, phân ban Điện) Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 23 Các phương pháp mô hình mẫu Cho mơ hình mẫu (mơ hình mong muốn) hệ hở/hệ kín: L(s) = K (s)G(s) ⇒ K (s) = T (s) = K (s)G(s) + K (s)G(s) L(s) G(s) ⇒ K (s) = T (s) G(s)(1 − T (s)) L(s) G(s) ⇒ K (s) ≈ T (s) G(s)(1 − T (s)) hoặc: ⇒ K (s) ≈ Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 24 Các vấn ₫ề cần giải ƒ Hàm truyền đạt nhận khơng có cấu trúc PI/PID: Xấp xỉ điều khiển chọn mô hình mẫu mơ hình đối tượng phù hợp ƒ Hệ kín khơng ổn định nội: Chọn mơ hình mẫu thích hợp, mơ hình đối tượng thơng thường khơng có điểm cực điểm khơng nằm bên phải trục ảo ƒ Hệ dễ nhạy cảm với sai lệch mơ hình: Chọn mơ hình mẫu theo hướng “thận trọng” ƒ Tóm lại: Hai vấn đề then chốt chọn mơ hình mẫu phù hợp phương pháp xấp xỉ mơ hình! ƒ Các dạng mơ hình mẫu thường lựa chọn: −θs L(s) = e τos e−θs T (s) = τcs + Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com e−θs T (s) = τc s + 2τcζ s + © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 25 Ví dụ ₫iều khiển thiết bị trao ₫ổi nhiệt 0.75e−1.21s G(s) = (30s + 1)(5s + 1)(2s + 1) Xấp xỉ mơ hình SOPDT theo “luật chia đôi”: −2.21s 0.75 e Gˆ(s) = (30s + 1)(6s + 1) Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 26 Kết mô với luật PID Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 27 Cải thiện chất lượng lọc giá trị ₫ặt (cho trường hợp sử dụng DS-d) Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 28 Bù trễ với dự báo Smith ƒ Mơ hình lý tưởng đối tượng: G(s) = G0(s)e−θs ƒ Vấn đề: Đầu đo bị chậm trễ, ảnh hưởng lớn tới chất lượng điều khiển ƒ Ý tưởng khắc phục: Dự báo đầu khơng có trễ dựa mơ hình  G(s) = G0 (s)e−θs Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 29 Bù trễ với dự báo Smith Giả sử đầu thực khơng có trễ y0:  yˆ0 = y0 + (y − y0e−θs ) ≈ y0 + (y0 − y0 )e−θs ≈ y0 + y0 − y0 = y0 Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 30 Ví dụ mô e−10s G(s) = (s + 1)3 ƒ Chỉnh định PID theo phương pháp xấp xỉ đáp ứng tần số Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 31 Nhiệm vụ luyện tập nhà ƒ Sử dụng SIMULINK mô phỏng, thử nghiệm phương pháp dựa đặc tính ƒ Đọc tài liệu phương pháp dựa mơ hình mẫu, thử nghiệm mơ MATLAB ƒ Đọc tài liệu kèm sử dụng chương trình phần mềm nhận để tìm hiểu luyện tập phương pháp chỉnh định khác Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 32 ... khiển PID (so sánh với PI) Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 13 Ảnh hưởng thay ₫ổi tham số PID Chương 6: Chỉnh định điều khiển. .. (phản hồi rơ-le) ku = 4d / aπ Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 19 Tyreus-Luyben Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com... 32.5s + Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt 21 PI PID Chương 6: Chỉnh định điều khiển PID CuuDuongThanCong.com © 2006 - HMS https://fb.com/tailieudientucntt