Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 8 Chỉnh định bộ điều khiển PID Kể từ khi Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID vào năm 1942 45, đến nay số lượng các phương pháp chính thức được công bố đã nhiều tới mức khó có thể bao quát nổi. Theo thống kê sơ bộ của O’Dwyer 26, tính đến hết năm 2002 con số này đã lên tới 453. Chỉ tính riêng số đầu sách viết chuyên về các phương pháp chỉnh định tham số PID thì trong giai đoạn này cũng có không dưới 10 cuốn được xuất bản bằng tiếng Anh. Hầu hết mỗi quyển sách viết về điều khiển quá trình cũng dành ít nhất một chương để viết riêng về bộ PID. Sau nhiều thập kỷ ứng dụng rất thành công, khi mà người ta nghĩ rằng không còn gì để nói thêm về bộ PID thì cũng là lúc xuất hiện nhiều phương pháp chỉnh định mới, trong đó có những phương pháp đã đem lại bằng sáng chế (ví dụ 4). Ngay cả trong thời gian gần đây nhất, hàng loạt các bài báo của các tác giả có uy tín vẫn tiếp tục bám theo chủ đề này (ví dụ 68,30,42). Các phương pháp chỉnh định tham số cho bộ PID có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau: 1. Các phương pháp dựa trên đặc tính sử dụng một số đặc điểm của quá trình và tính toán các tham số bộ điều khiển để thu được các đặc tính vòng kín mong muốn. Các đặc điểm của quá trình có thể nhận được từ đáp ứng thời gian hoặc đáp ứng tần số (ví dụ hệ số khuếch đại và tần số dao động tới hạn). Tiêu biểu là các phương pháp dựa trên đáp ứng bậc thang và phương pháp dựa trên đặc tính dao động tới hạn (Ziegler–Nichols, 45), phương pháp tự chỉnh phản hồi rơle (Åström và Hägglund, 3),… 2. Các phương pháp mô hình mẫu tổng hợp bộ điều khiển dựa trên mô hình toán học của quá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở (đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt hoặc đặc tính đáp ứng tần số). Trong nhóm này ta có các phương pháp thông dụng như tổng hợp trực tiếp (Chen và Seborg, 10), chỉnh định lamda (Dahlin 12), IMC (Morari và Zafiriou, 25), xấp xỉ đặc tính tần,…390 Chương 8: Chỉnh định bộ điều khiển PID 3. Các phương pháp nắn đặc tính tần đi theo quan điểm thiết kế truyền thống, sử dụng mô hình hàm truyền đạt hoặc mô hình đáp ứng tần số của quá trình và tính toán các khâu bù sao cho đường đặc tính tần số hệ hở hoặc hệ kín đạt được các chỉ tiêu thiết kế trên miền tần số như dải thông, độ dự trữ biên và pha, biên độ đỉnh hàm nhạy,… Các phương pháp được nhắc đến nhiều là tối ưu môđun (Kessler, 19, 20), phương pháp dựa trên dự trữ biênpha (Åström và Hägglund, 4, Ho và cộng sự 16, Tan và cộng sự, 37), MIGOAMIGO (Åström và cộng sự, 6, 27),... 4. Các phương pháp tối ưu tham số sử dụng mô hình toán học của quá trình và xác định các tham số của bộ điều khiển bằng cách cực tiểu hóacực đại hóa một tiêu chuẩn chất lượng, ví dụ cực tiểu hóa tích phân sai lệch tuyệt đối (IAE) hoặc tích phân bình phương sai lệch (ISE). 5. Các phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm bắt chước suy luận của con người, có thể sử dụng cả đáp ứng của quá trình và các đặc tính đáp ứng vòng kín mong muốn. Trong nhóm này ta có các phương pháp chỉnh định mờ (ví dụ Zhao, Tomizuka và Isaka, 46), chỉnh định trên cơ sở hệ chuyên gia và phương pháp sử dụng mạng nơron. Các phần trình bày dưới đây giới thiệu một cách ngắn gọn nguyên tắc của một số phương pháp chỉnh định được áp dụng rộng rãi trong thực tế. Mục đích là giúp người đọc có thể hiểu và lựa chọn phương pháp phù hợp với quá trình cần điều khiển. Các phương pháp chỉnh định theo luật kinh nghiệm, ví dụ chỉnh định mờ hoặc chỉnh định trên cơ sở hệ chuyên gia, không được đề cập tới trong phạm vi cuốn sách này. 8.1 Cơ sở chung 8.1.1 Các dạng mô hình quá trình thông dụng Phạm vi ứng dụng của các bộ điều khiển PID là các quá trình có thể mô tả bằng các mô hình bậc thấp, thông thường là bậc nhất hoặc bậc hai. Hầu hết phương pháp chỉnh định tham số PID chỉ áp dụng được cho các quá trình ổn định, hoặc có thể có một khâu tích phân bậc nhất. Ngoài ra, chỉ một số ít phương pháp đề cập tới quá trình không ổn định. Để tiện theo dõi cho các phần trình bày trong chương này, các dạng mô hình quá trình thông dụng được liệt kê dưới đây. Bên cạnh hàm truyền đạt, một số phương pháp sử dụng mô tả đối tượng trên miền tần số, tiêu biểu là đặc tính tần số dao động tới hạn. • Mô hình quán tính bậc nhất có trễ (FOPDT): ( ) 1 ke s G s s θ τ − = + (8.1)8.1 Cơ sở chung 391 • Mô hình bậc hai ổn định có trễ (SOPDT): ( ) 2 2 1 ke s G s s s θ τ τζ − = + + , ζ > 0 (8.2) hoặc trường hợp đặc biệt là khâu quán tính bậc hai có trễ (khi ζ ≥ 1 ) 1 2 ( ) ( 1)( 1) ke s G s s s θ τ τ − = + + (8.3) • Mô hình tích phân bậc nhất có trễ ( ) ke s G s s −θ = (8.4) • Mô hình quán tính–tích phân bậc nhất có trễ ( ) ( 1) ke s G s s s θ τ − = + (8.5) • Mô hình bậc hai ổn định có trễ và một điểm không thực âm 2 ( 1) , 0 2 1 s k s e a s s θ τ ζ τ τζ + − > + + (8.6) hoặc trường hợp đặc biệt được viết dưới dạng 1 2 ( 1) ( 1)( 1) s k s e a s s θ τ τ τ + − + + (8.7) • Mô hình bậc hai có trễ và một điểm không thực dương (đáp ứng ngược) 2 ( 1) 2 1 s k s e a s s θ τ τ τζ − − + + + (8.8) hoặc trường hợp đặc biệt được viết dưới dạng 1 2 ( 1) ( 1)( 1) s k s e a s s θ τ τ τ − − + + + (8.9) • Mô hình bậc nhất không ổn định có trễ (FODUP) ( ) 1 ke s G s s θ τ − = − (8.10) • Mô hình bậc hai không ổn định có trễ (SODUP) 1 2 ( ) ( 1)( 1) ke s G s s s θ τ τ − = − + (8.11)392 Chương 8: Chỉnh định bộ điều khiển PID 8.1.2 Xấp xỉ mô hình bậc cao – luật chia đôi Các phương pháp chỉnh định bộ PID thông thường chỉ dựa vào mô hình bậc thấp (bậc 1 hoặc bậc 2). Vì vậy, khi có một mô hình bậc cao thì trước khi áp dụng một phương pháp chỉnh định nào đó ta cần thực hiện giảm bậc, xấp xỉ mô hình bậc cao về một mô hình bậc nhất hoặc bậc hai có trễ. Có nhiều phương pháp thực hiện khác nhau, dưới đây ta tìm hiểu một phương pháp khá đơn giản có tên gọi là luật chia đôi (‘halfrule’) của Skogestad 30: • Khi cắt bỏ các thành phần quán tính bậc cao của đối tượng, các hằng số thời gian quán tính bị cắt bỏ được cộng vào hằng số thời gian trễ. • Riêng hằng số thời gian bị cắt bỏ lớn nhất được chia đôi một nửa cộng vào hằng số thời gian trễ, một nửa cộng vào hằng số thời gian quán tính được giữ lại nhỏ nhất. • Đối với thành phần đáp ứng ngược bị cắt bỏ, hằng số thời gian đáp ứng ngược cũng được cộng vào hằng số thời gian trễ. Một mô hình đối tượng có dạng ( ) ( ) ( ) 1 0 1 1 1 m i n pj j zi s k s G s e s τ τ τ = = − − + = + ∏ ∏ (8.12) với τ p1 > τp2 > τp3 … có thể được xấp xỉ về các dạng bậc thấp dưới đây: • Quán tính bậc nhất có trễ: ( ) s 1 ke G s s θ τ − = + với 2 1 p2 p τ τ τ = + , 0 2 2 3 1 n m p pj zi j i τ θ τ τ τ = = = + + + ∑ ∑ (8.13) • Quán tính bậc hai có trễ: ( ) ( )( ) 1 2 1 1 ke s G s s s θ τ τ − = + + với 3 1 1 2 2 , p2 p p τ τ τ τ τ = = + , 0 3 2 4 1 n m p pj zi j i τ θ τ τ τ = = = + + + ∑ ∑ Về dẫn giải cũng như các ví dụ minh họa cho sự phù hợp của phương pháp, bạn đọc có thể tham khảo chi tiết trong 30.8.1 Cơ sở chung 393 8.1.3 Các cấu hình điều khiển và kiểu bộ điều khiển Đa số phương pháp chỉnh định tham số PID xét cấu hình điều khiển một bậc tự do minh họa trên Hình 81a. Để có thể thỏa mãn các yêu cầu khác nhau về đặc tính bám giá trị đặt và đặc tính loại bỏ nhiễu quá trình, ta có thể sử dụng thêm trọng số cho giá trị đặt trong cấu hình hai bậc tự do đơn giản (Hình 81b) hoặc khâu lọc giá trị đặt trong cấu hình hai bậc tự do tổng quát (Hình 81c). Việc xác định trọng số b cũng như thiết kế khâu lọc trước P cho giá trị đặt có thể thực hiện một cách hoàn toàn độc lập với thiết kếchỉnh định bộ điều khiển phản hồi K. Tuy vậy, do những đặc thù nhất định, một số phương pháp cũng đưa ra cả luật chỉnh định trọng số b cũng như lời khuyên chọn khâu lọc trước P. Hình 81: Các cấu hình điều khiển PID thông dụng d r K(s) u G(s) y – + Gd(s) r K(s) u G(s) y – + Gd(s) + a) Cấu hình điều khiển PID một bậc tự do k c(b–1) b) Cấu hình điều khiển PID hai bậc tự do đơn giản sử dụng trọng số cho giá trị đặt c) Cấu hình điều khiển PID hai bậc tự do tổng quát sử dụng khâu lọc giá trị đặt d r K(s) u G(s) y – + Gd(s) P(s)394 Chương 8: Chỉnh định bộ điều khiển PID Các dạng mô tả bộ điều khiển PIPID giới thiệu trong chương 6 cũng được tóm tắt lại dưới đây. • Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PI: 1 ( ) 1 c p i i k s k K s k τ s s ⎛ ⎞ + = + = ⎜ ⎜ ⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎝ ⎠ (8.14) • Hàm truyền đạt dạng chuẩn của bộ điều khiển PID lý tưởng: 1 ( ) 1 c d i K s k s s τ τ ⎛ ⎞ = + + ⎜ ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ ⎟ ⎝ ⎠ (8.15) • Hàm truyền đạt dạng song song của bộ điều khiển PID lý tưởng: 2 K s k k s ( ) p d ki k k s k s i p d s s + + = + + = (8.16) trong đó các tham số được tính từ dạng chuẩn như sau: k p = kc, ki = kcτi, kd = kcτd. (8.17) • Hàm truyền đạt dạng nối tiếp của bộ điều khiển PID lý tưởng: ( ) 1 1 c d 1 ( ) i K s k s s τ τ ⎛ ⎞ = + + ′ ′ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎠ ′ ⎟ ⎟ ⎟ (8.18) trong đó các tham số có thể chuyển được sang dạng chuẩn như sau (1 ), , 1 d c c d i i i d d d i k k τ τ τ τ τ τ τ τ τ ′ = + = + = ′ ′ ′ ′ ′ + ′ ′ (8.19) • Hàm truyền đạt dạng chuẩn của bộ điều khiển PID có khâu vi phân thực: 1 ( ) 1 1 d c i d s K s k s s N τ τ τ ⎛ ⎞ = + + ⎜ ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ ⎟ ⎝ + ⎠ (8.20) 8.1.4 Đặc tính vòng điều khiển sử dụng bộ PID Cơ sở cho các phương pháp phân tích và đánh giá chất lượng hệ điều khiển phản hồi tổng quát cũng đã được trình bày kỹ trong nội dung chương 7. Các mục tiêu thiết kế và chỉnh định các bộ điều khiển P, PI hoặc PID (gọi chung là PID) cũng không nằm ngoài việc bảo đảm tính ổn định, nâng cao chất lượng điều khiển và tính bền vững của hệ thống. Để có thể tìm hiểu tốt hơn các phương pháp thiết kế và các luật chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID, trước hết ta cần phân tích rõ vai trò của từng thành phần P, I và D cũng như sự kết hợp giữa chúng trong việc thỏa hiệp giữa nhiều mục tiêu cần đạt được.8.1 Cơ sở chung 395 Đặc tính điều khiển với bộ PI Bộ điều khiển PI (8.14) là loại được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Vai trò của bộ PI trong hệ thống điều khiển phản hồi được diễn giải tốt nhất trên miền tần số. Đồ thị Bode trên Hình 82 biểu diễn đặc tính biên và đặc tính pha của quá trình chưa có điều khiển (G) cũng như của bộ điều khiển (K) và của hệ hở (L) theo thang logarith. Các đường nét đứt thể hiện đặc tính biên của bộ điều khiển và của hệ hở khi tăng hệ số khuếch đại kc. Lưu ý rằng, đồ thị Bode cho phép dựng đường đặc tính biên cũng như đường đặc tính pha của L bằng cách cộng những đường đặc tính tương ứng của G và K. Hình 82: Vai trò nắn vòng hở của bộ điều khiển PI Trước hết, đặc tính biên của bộ điều khiển PI là một đường hyperbol có độ dốc –20 dbdec trong phạm vi tần số nhỏ hơn nhiều so với tần số gãy (1τi ) do sự có mặt của thành phần I và 0 dbdec trong phạm vi tần số lớn hơn nhiều so với tần số gãy do vai trò của thành phần P. Như vậy, bộ PI có tác dụng dịch chuyển toàn bộ đường đặc tính biên logarith của hệ hở lên thêm ít nhất 20log|kc| dB và làm cho L j ( ) khi 0. ω ω → → ∞ Tần số cắt biên của hệ hở cũng được dịch sang phải nếu kc > 1. Ta có thể nói, thành phần I quyết định tới đặc tính hệ thống ở phạm vi tần số thấp và thành phần P có ảnh hưởng chủ yếu 1 Amplitude (db) 20 log ( ) G jω ( ), ( )K j K jω ω∠ ∠2 2 ∠ ∠ L j L j ( ), ( ) ω ω ∠G j ( ) ω 20 log ( ) K jω 20 log ( ) L jω 2 20 log ( )L jω2 20 log ( ) K jω 180 90 0 Phase (deg) Frequency 1 τ i396 Chương 8: Chỉnh định bộ điều khiển PID ở tần số cao hơn tần số gãy. Điều đó có nghĩa là, bộ điều khiển PI có khả năng cải thiện đặc tính động học của hệ kín nhờ thành phần P, đồng thời có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh ( 1 0 e L j lim 1 ( ) 0 ω ω − ∞ → = + = ) nhờ thành phần I. Hình 82 cũng cho thấy tác dụng của việc tăng hệ số khuếch đại kc của bộ điều khiển. Ở đây K2 có hệ số khuếch đại lớn gấp 4 lần so với K, vì thế đặc tính biên của hệ hở cũng tăng lên 4 lần: |L2(jω)| = 4|L(jω)|. Trong khi đó, đặc tính pha của hệ hở không thay đổi. Đường đặc tính biên của hệ hở được nâng lên dẫn đến tần số cắt biên được dịch sang bên phải và dải thông của hệ kín được mở rộng, tốc độ đáp ứng của hệ kín nhanh hơn. Song, nếu đường đặc tính pha có cắt đường –180° thì trong hầu hết trường hợp, việc đẩy tần số cắt sang bên phải sẽ làm giảm độ dự trữ ổn định của hệ kín. Điều đó có nghĩa là đáp ứng quá độ của hệ kín nếu chưa có dao động thì có thể sẽ dao động, nếu đã có dao động thì sẽ dao động mạnh hơn và độ quá điều chỉnh lớn hơn. Việc tăng hệ số khuếch đại cũng làm cho tín hiệu điều khiển cũng thay đổi mạnh hơn, hệ cũng nhạy cảm hơn với sai lệch mô hình và với nhiễu đo. Hệ số khuếch đại kc tăng quá lớn thậm chí có thể làm cho hệ kín mất ổn định. Tiếp theo, nhìn vào đồ thị đặc tính pha ở phần dưới Hình 82 ta sẽ thấy đường đặc tính pha của bộ PI có hình chữ S với hai đường tiệm cận là –90° và 0° và điểm uốn nằm tại tần số gãy (tương ứng với góc pha –45°). Sự có mặt của thành phần I làm chậm pha thêm 90° tại những tần số thấp và giảm tần số cắt pha nếu tần số gãy tương đối lớn. Độ dự trữ ổn định của hệ kín thông thường bị giảm đi. Nói một cách khác là thành phần I rất có thể là một trong những nguyên nhân chính làm xấu đi tính ổn định của hệ kín, làm cho đáp ứng của hệ kín dao động hơn cũng như kém bền vững ổn định hơn với sai lệch của mô hình. Mức độ ảnh hưởng của thành phần I phụ thuộc vào hằng số thời gian tích phân τi. Nhìn trên đồ thị đặc tính biên và đặc tính pha ta có thể thấy rõ, τi càng nhỏ thì tần số gãy càng lớn, tác động tích phân càng mở rộng sang vùng tần số cao, ảnh hưởng của nó tới chất lượng đáp ứng của hệ kín càng rõ nét hơn. Trong nhiều trường hợp, việc giảm τi có thể làm giảm thời gian quá độ và sai lệch điều khiển. Tuy nhiên, nếu hệ đã có dao động thì giảm giá trị τi sẽ làm hệ dao động mạnh hơn và kéo dài hơn, độ quá điều chỉnh tăng lên. Ngược lại, tăng giá trị τi có tác dụng tăng tính bền vững của hệ kín, giảm dao động nhưng cũng dẫn đến sai lệch điều khiển chậm bị triệt tiêu và thời gian quá độ lớn. Trên Hình 83 là các đồ thị Bode mô tả trường hợp tăng thời gian tích phân τi. Bộ điều khiển K2 có cùng hệ số khuếch đại kc như K, nhưng thời gian tích phân của K2 gấp 4 lần thời gian tích phân của K. Nhờ việc đẩy tần số gãy sang bên trái, đường đặc tính pha của L2 được kéo lên trên và tần số cắt pha của hệ hở được đẩy sang phải. Đường đặc tính biên chỉ thay đổi nhiều ở phạm vi tần số thấp hơn hẳn tần số gãy, nhưng cũng làm cho tần số cắt biên nhỏ đi. Độ dự trữ ổn định được cải thiện, nhưng tốc độ đáp ứng của hệ kín bị chậm đi đôi chút.8.1 Cơ sở chung 397 Hình 83: Đặc tính tần thay đổi khi giảm thành phần I Đặc tính điều khiển với bộ PID Khi sử dụng bộ PI, muốn tăng tốc độ đáp ứng ta có thể tăng hệ số khuếch đại kc hoặc giảm thời gian tích phân τi, nhưng kèm theo đó thường phải chấp nhận độ quá điều chỉnh lớn lên và độ dự trữ ổn định bị thu hẹp lại. Hơn nữa, muốn sai lệch điều khiển nhanh chóng bị triệt tiêu thường ta cũng phải giảm thời gian tích phân τi, kèm theo đó buộc phải chấp nhận hệ kín dao động hơn và độ dự trữ ổn định hẹp lại, nhiều khi hiệu quả ngược lại với mong muốn. Bộ điều khiển PID có thêm thành phần D để khắc phục hai vấn đề nói trên. Sử dụng bộ điều khiển PID, ta có thể đồng thời cải thiện tốc độ đáp ứng và tăng độ dự trữ ổn định. Trên Hình 84 là đồ thị Bode biểu diễn đặc tính tần của bộ điều khiển PI (KPI) và PID (KPID), cũng như đặc tính tần của các vòng hở tương ứng. Sự có mặt của thành phần D làm cho đường đặc tính biên của bộ điều khiển có độ dốc 20 dBdec ở vùng tần số cao. Nhờ đó, đặc tính biên của hệ hở được nâng lên trong phạm vi tần số cao, dải thông được mở rộng và tốc độ đáp ứng của hệ kín được cải thiện đôi chút. Cũng trong vùng tần số cao, đường đặc tính pha của bộ điều khiển PID tiệm cận đường 90°, có tác dụng làm giảm độ lệch pha của hệ hở và cải thiện tính ổn định (bền vững) của hệ thống. Thật sự thì thành phần D làm cho cả tần số cắt biên và tần số cắt pha đều lớn hơn, nhưng tần số cắt pha được thay đổi nhiều hơn, nên độ dự trữ ổn định nói chung được tăng lên. 180 90 0 Phase (deg) Frequency 1 Amplitude (db) K K2 L L2 G 1τi 2 1i G τ K L2 L K2398 Chương 8: Chỉnh định bộ điều khiển PID Hình 84: Vai trò nắn vòng hở của bộ điều khiển PI và PID Đối với một số quá trình không ổn định bậc nhất, mặc dù bộ điều khiển P hoặc PI cũng có thể giữ ổn định hệ kín, nhưng rất khó bảo đảm chất lượng theo yêu cầu. Còn đối với các quá trình dao động bậc hai (tắt dần) hoặc quá trình không ổn định bậc hai (có hai điểm cực không ổn định), việc phải sử dụng thành phần vi phân là không thể tránh khỏi. Như đã nhiều lần nhấn mạnh, bài toán thiết kế điều khiển luôn phải đặt ra sự thỏa hiệp giữa những yêu cầu mâu thuẫn. Vấn đề là để được một mặt này ta thường phải hy sinh một chút gì khác. Để có được các tác dụng tích cực của thành phần D ở mặt này, ta cũng phải trả giá ở mặt khác. Việc mở rộng dải thông và nắn đặc tính biên độ ‘bớt dốc hơn’ ở vùng tần số cao đồng nghĩa với việc làm cho hệ kín nhạy cảm hơn với nhiễu đo và tín hiệu điều khiển thay đổi mạnh hơn. Cũng chính vì thế, ứng dụng tiêu biểu của bộ điều khiển PID là các quá trình chậm hoặc các quá trình không ổn định mà ở đó sự ảnh hưởng nhiễu đo không đáng kể. Đối với đa số các quá trình thông dụng và hệ kín đang ổn định, ảnh hưởng của việc hiệu chỉnh từng tham số PID tới các chỉ tiêu chất lượng được tóm tắt trong Bảng 81. Tất nhiên, những kết luận này chỉ mang tính tương đối, bởi ba tham số PID có ảnh hưởng lẫn nhau và sự thay đổi của bất kì một tham số nào cũng có thể ảnh hưởng không nhỏ đến tác dụng của hai tham số còn lại. 1 Amplitude (db) KPID KPI LPID LPI 180 90 0 90 Phase (deg) Frequency 1τi 1d τ KPID LPID LPI KPI8.1 Cơ sở chung 399 Bảng 81: Ảnh hưởng của từng tham số PID tới chất lượng điều khiển Thay đổi tham số Chỉ tiêu chất lượng Tăng kc Giảm τi Tăng τd Thời gian đáp ứng giảm giảm ít giảm ít Thời gian quá độ thay đổi ít giảm giảm Độ quá điều chỉnh tăng tăng giảm ít Hệ số tắt dần thay đổi ít tăng giảm Sai lệch tĩnh giảm triệt tiêu thay đổi ít Tín hiệu điều khiển tăng tăng tăng Độ dự trữ ổn định giảm giảm tăng Bền vững với nhiễu đo giảm thay đổi ít giảm 8.1.5 Lựa chọn luật điều khiển Mục này đưa ra một số chỉ dẫn trong việc lựa luật điều khiển cũng như sự cần thiết phối hợp với một số sách lược điều khiển khác. Åström và Hägglund (2) đưa ra một số nguyên tắc cơ bản sau đây: • Chọn luật điều khiển PI là đủ nếu như quá trình có đặc tính của một khâu quán tính bậc nhất và không có thời gian trễ, hoặc yêu cầu chính là chất lượng điều khiển ở trạng thái xác lập, còn đặc tính bám tín hiệu chủ đạo trong quá trình quá độ không đặt ra hàng đầu. Ví dụ tiêu biểu là bài toán điều khiển lưu lượng. Hơn nữa, thành phần I có thể bỏ qua nếu như sai lệch tĩnh không nhất thiết phải triệt tiêu, hoặc bản thân đối tượng đã có đặc tính tích phân (ví dụ điều khiển mức chất lỏng trong một bình chứa). • Chọn luật điều khiển PID nếu như quá trình có đặc tính của một khâu bậc hai và thời gian trễ tương đối nhỏ. Một trường hợp tiêu biểu là bài toán điều khiển nhiệt độ với một hằng số thời gian của quá trình truyền nhiệt và một hằng số thời gian của cảm biến. Thành phần D đặc biệt có tác dụng khi hai hằng số thời gian khác nhau nhiều. Lưu ý rằng tác động vi phân rất nhạy cảm với nhiễu đo, vì thế nên hạn chế sử dụng nếu không có biện pháp lọc nhiễu thích hợp. • Đối với các quá trình có thời gian trễ lớn cần sử dụng các khâu bù trễ (ví dụ bộ dự báo Smith hoặc bộ PI dự báo). • Sử dụng các khâu bù nhiễu nếu như khả năng thực hiện cho phép để cải thiện chất lượng điều khiển.400 Chương 8: Chỉnh định bộ điều khiển PID • Các luật điều khiển P, PI hoặc PID có thể chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra về chất lượng điều khiển đối với các quá trình bậc cao, có thời gian trễ lớn hoặc dao động mạnh. Khi đó cần sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hoặc các sách lược điều khiển đặc biệt hơn. Cụ thể cho các đối tượng bậc nhất (có thành phần tích phân hoặc không) có đặc tính dao động tới hạn, Åström và một số cộng sự khác cũng đã thảo luận rất chi tiết về các nội dung này trong một bài báo khác (1). Xuất phát từ mô hình đối tượng bậc nhất ( ) 1 s e G s k s θ τ − = + (2.21) hoặc đối tượng bậc nhất chứa thành phần tích phân ( ) (1 ) s v v v e G s k s s θ τ − = + , (2.22) ta định nghĩa các hệ số khuếch đại chuẩn hóa và thời gian trễ chuẩn hóa như sau: 1 2 1 2 ( ) ( ) , , , v u u v u v k k k k G j G j θ θ θ θ ω ω ω τ τ = = = = . (2.23) Với các hệ số được định nghĩa như trên, cách chọn luật điều khiển cũng như sự cần thiết sử dụng các sách lược bổ sung được tóm tắt trong Bảng 82. Lưu ý, khái niệm ‘điều khiển chặt’ được hiểu là yêu cầu giá trị biến được điều khiển bám tương đối ‘chặt’ giá trị đặt, hay nói cách khác là yêu cầu cao về chất lượng điều khiển. Đối với các bài toán điều khiển quá trình thông dụng, ta có thể lựa chọn kiểu bộ điều khiển dựa trên các chỉ dẫn đơn giản như sau: • Vòng điều khiển lưu lượng: Quá trình và cảm biến lưu lượng đều khá nhanh và thời gian trễ rất nhỏ, đặc tính động học của đối tượng phụ thuộc chủ yếu vào van điều khiển. Vì thế, hầu như ta chỉ cần sử dụng luật PI. Phép đo lưu lượng chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu cao tần, vì thế ta không nên sử dụng thành phần vi phân. • Vòng điều khiển mức: Đặc tính động học của cảm biến và của thiết bị chấp hành rất nhanh so với quá trình. Quá trình có đặc tính tích phân, nên sử dụng luật P cho điều khiển lỏng và luật PI cho điều khiển chặt (với thời gian tích phân tương đối lớn). Thành phần vi phân ít khi được sử dụng bởi thực sự không cần thiết, hơn nữa phép đo mức thường rất bị ảnh hưởng của nhiễu. • Vòng điều khiển áp suất chất khí: Quá trình và cảm biến nói chung đều nhanh hơn thiết bị chấp hành. Quá trình cũng có đặc tính tích phân tương tự8.1 Cơ sở chung 401 như bài toán điều khiển mức, tuy nhiên yêu cầu cao hơn về độ chính xác vì lý do an toàn. Luật PI được sử dụng là chủ yếu, trong đó thành phần tích phân được đặt tương đối nhỏ. • Vòng điều khiển nhiệt độ: Đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành. Đối với một số bài toán, quá trình còn có thể có đặc tính dao động hoặc thậm chí không ổn định (ví dụ điều khiển nhiệt độ thiết bị phản ứng, nhiệt độ trong tháp chưng luyện). Phép đo nhiệt độ chậm nhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Vì thế, ta nên sử dụng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn. • Vòng điều khiển thành phần: Các vòng điều khiển thành phần thường có đặc tính tương tự như vòng điều khiển nhiệt độ. Quá trình thường là phần tử chậm nhất trong vòng kín, sau đến cảm biến; thiết bị chấp hành thường là nhanh nhất. Bộ điều khiển PID cũng thường được sử dụng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp phép đo thành phần có thể rất chậm (thời gian trễ lớn) và nhạy cảm với nhiễu đo, ta cần sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn. Bảng 82: Lựa chọn luật điều khiển và các sách lược bổ sung theo 1 Điều khiển chặt Điều khiển lỏng Nhiễu đo lớn Giới hạn điều khiển nhỏ Nhiễu đo nhỏ và giới hạn ĐK lớn 1 θ1>1, k1