Bài tập điều khiển quá trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN -    - BÀI TẬP CHƯƠNG 1-6 ĐKQT 124684 Nguyễn Hải Đăng -20181379 Bài tập chương 1.1 Giải thích khái niệm điều khiển trình nêu lĩnh vực ứng dụng điều khiển trình Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác Điều khiển trình ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất an toàn cho người, máy móc mơi trường Điều khiển q trình ứng dụng ngành công nghiệp chế biến, khai thác lượng Phân biệt điều khiển trình với lĩnh vực điều khiển khác: • • • • • Quy mô ứng dụng: quy mô vừa lớn, khác với điều khiển máy, điều khiển chuyển động điều khiển dây chuyền gia công lắp ráp Quy mô lớn số lượng biến vào/ra diện tích khu vực sản xuất Độ tin cậy sẵn sàng: nhà máy ngành hóa chất lượng yêu cầu cao độ tin cậy tính sẵn sàng hệ thống điều khiển Chức điều khiển: tốn điều chỉnh, điều khiển khiển khóa liên động, điều khiển trình tự, thu thập liệu Khả vận hành điều khiển trình: liên quan tới thiết kế công nghệ ràng buộc liên quan Mơ hình khơng xác: dựa sở mơ hình tốn học xấp xỉ việc tiến hành thực nghiệm khơng phải dễ dàng liên quan tới vận hành hệ thống lớn chi phí tốn kém, bỏ qua nhiều yếu tố động học yếu tố khác 1.2 Nêu đặc thù lĩnh vực điều khiển trình (về đối tượng điều khiển, yêu cầu kỹ thuật yêu cầu công nghệ) Đối tượng điều khiển lĩnh vực điều khiển trình q trình cơng nghệ Q trình cơng nghệ trình liên quan tới biến đổi, vận chuyển lưu trữ vật chất lượng, nằm dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất lượng Các dây chuyền công nghệ lĩnh vực điều khiển q trình có quy mơ vừa lớn tổ chức sản xuất chức điều khiển Do việc thiết kế hệ thống điều khiển liên quan tới nhiều yếu tố kỹ thuật khả phối hợp điều khiển, khả giám sát vận hành, độ tin cậy chi phí đầu tư 1.3 Phân biệt loại biến trình (biến vào/biến ra/biến trạng thái, biến điều khiển/biến điều khiển/nhiễu), đưa số ví dụ minh họa Biến vào đại lượng điều kiện phản ánh tác động từ bên vào q trình Ví dụ: lưu lượng dịng ngun liệu, nhiệt độ nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở rơ-le,… Biến điều khiển biến vào trình can thiệp trực tiếp từ bên ngồi, qua tác động tới biến theo ý muốn Ví dụ: lưu lượng nước, khối lượng nguyên liệu cấp vào lò nhiệt,… Biến đại lượng điều kiện thể tác động trình bên ngồi Ví dụ: nồng độ lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải,… Biến trạng thái biến mang thông tin trạng thái bên trình Ví dụ: nhiệt độ lị hơi, áp suất hơi, mức chất lỏng, tốc độ thay đổi thay đổi nhiệt độ hay áp suất mức Biến cần điều khiển biến biến trạng thái trình điều khiển, điều chỉnh cho gần với giá trị mong muốn hay giá trị đặt bám theo biến chủ đạo/tín hiệu mẫu Ví dụ: nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất nồng độ Nhiễu biến vào cịn lại khơng can thiệp cách trực tiếp hay gián tiếp phạm vi q trình quan tâm Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhiễu trình nhiễu đo 1.4 Phân biệt toán điều chỉnh với toán điều khiển bám, đưa số ví dụ minh họa Bài tốn điều chỉnh tốn thiết lập trì đầu giá trị đặt cho trước có tác động nhiễu Ví dụ: điều chỉnh nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, mức nồng độ Bài toán bám toán thiết lập đầu bám theo tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi Ví dụ: điều khiển máy móc, điều khiển chuyển động 1.5 Nêu rõ mục đích điều khiển phân tích sở ví dụ minh họa, liên hệ với tốn điều khiển Ví dụ minh họa toán điều khiển bình trộn sau Dựa tồn điều khiển bên dưới, mục đích điều khiển q trình trình bày Vận hành ổn định Mức bình trộn phải giữ giá trị yêu cầu Nồng độ A sản phẩm phải đạt giá trị mong muốn Chất lượng sản phẩm Nồng độ A sản phẩm trì ổn định, mà phải gần với giá trị mong muốn Vận hành an tồn Trong ví dụ, cần đặt cảm biến báo tràn cạn bình, q tốc, q dịng động khuấy, dẫn đến toán điều khiển rời rạc động van an tồn Bảo vệ mơi trường Giảm nhiên liệu tiêu thụ; giảm sử dụng nước Hiệu kinh tế Chất lượng ổn định (nồng độ A sản phẩm) Năng suất thích ứng với yêu cầu thị trường (liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) Tiêu hao lượng thấp (cho động khuấy cho van điều khiển) Tác động điều khiển êm ả, trơn tru (tốc độ động độ mở van phải thay đổi thay đổi chậm) 1.6 Phân loại làm rõ chức điều khiển trình, liên hệ với mục đích điều khiển Ví dụ minh họa chọn tốn điều khiển mức bình chứa sau Mục đích điều khiển tốn trì mức bình giá trị đặt mong muốn Từ thấy tốn thuộc dạng tốn điều chỉnh Q trình có biến điều khiển lưu lượng vào qua độ mở van vào; biến cần điều khiển mức bình; nhiễu lưu lượng 1.7 Nêu rõ thành phần hệ thống điều khiển trình mối liên hệ thành phần với Một hệ thống điều khiển q trình có ba thành phần bản: • • • Thiết bị đo Thiết bị điều khiển Thiết bị chấp hành Thiết bị đo thiết bị có chức cung cấp tín hiệu tỉ lệ theo nghĩa với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cảm biến chuyển đổi đo Thiết bị điều khiển thiết bị tự động thực chức điều khiển, thành phần cốt lõi hệ thống điều khiển công nghiệp Thiết bị chấp hành thiết bị nhận tín hiệu từ điều khiển thực tác động can thiệp tới biến điều khiển Thiết bị đo thành phần cung cấp tín hiệu đo, trạng thái trình đưa vào đầu vào điều khiển Dựa tín hiệu nhận so sánh với giá trị đặt, điều khiển đưa tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành để tác động lên trình Thiết bị đo lại dựa thay đổi trình tác động cấu chấp hành cập nhật trạng thái cho điều khiển 1.8 Giải thích ý nghĩa biểu tượng lưu đồ Biểu tượng LT PHƯ ƠNG TRÌN TT ZS LIC Ý nghĩa Level Transmitter Pressure transmitter Temperature transmitter Position switch Level control and indicator Flow ratio control – loop 102 (remote) Temperature control – loop 102 (Shared hardware, auxilary location Radiation control – loop 102 Biểu tượng FT Ý nghĩa Flow transmitter AT Analysis transmitter FY Fraction converter HS Han switch FRC 102 Flow rate control – loop 102 Pressure differential control – loop 102 (remote) Air compressor – loop 102 (Individual hardware, remote control) Quantity control – loop 102 (remote) PLC PLC Temperature alarm high and low Software interacts with AC|102 Flow and pressure record 1.9 Vẽ phác lưu đồ P&ID cho vòng điều khiển phản hồi Điều khiển mức sử dụng tín hiệu vào/ra 4-20mA, điều khiển DCS với giá trị đặt truyền từ máy tính vận hành Điều khiển hiển thị chênh áp với tín hiệu vào/ra khí nén với thiết bị điều khiển đơn lẻ chuyên dụng, ghi chép giá trị áp suất thiết bị riêng Điều khiển hiển thị nhiệt độ với đầu vào RTD (mV), đầu 4-20mA đưa tới van khí nén qua biến đổi I/P 6.5 Cho đồ thị định chuẩn thiết bị đo nhiệt độ hình a Phát biểu đặc tính thiết bị Đặc tính thiết bị tuyến tính, với phạm vi đầu vào từ 50 đến 200 độ C phạm vi đầu từ đến 20 mA Với giả sử nhiệt độ có giá trị thật 125 độ C Sai số đo thấp Độ phân giải 0.1 mA Độ xác cao Tính trung thực cao, với giá trị đầu vào, tín hiệu sát Xác định sai số với mô Mô simulink với hàm truyền thu đáp ứng sau: Tại thời điểm t = 15s giá trị đặt tăng lên 135 Kết đo t = 3s, nhiệt độ đo 79, sai số 46 độ C Tại thời điểm t =15s, nhiệt độ đo 124 độ C, sai số 11 độ C 6.6 sau Nêu nguyên lý hoạt động loại cảm biến cho đại lượng Cảm biến nhiệt độ Đa số phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp dựa tượng truyền nhiệt: truyền nhiệt tiếp xúc (dẫn nhiệt) không tiếp xúc (bức xạ nhiệt) Nhiệt truyền từ đối tượng sang đầu đo, gây hiệu ứng học điện học, dựa vào cảm biến chuyển đổi cho tín hiệu điện • • • • Các nhiệt kế giãn nở: giãn nở chất theo nhiệt độ làm thay đổi chiều dài, thể tích áp suất, ví dụ nhiệt kế thủy ngân nhiệt kế lưỡng kim Các nhiệt kế điện trở: điện trở thay đổi theo nhiệt độ, sử dụng nhiệt kế điện trở kim loại nhiệt điện trở bán dẫn Cặp nhiệt: điện thay đổi theo nhiệt độ điểm tiếp xúc hai kim loại khác nhau, ví dụ niken crom Hỏa kế: bước sóng nhiệt xạ thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ hỏa kế xạ áp dụng cho đo nhiệt cao (quá trình đốt cháy) Cảm biến áp suất • • • Các cảm biến đàn hồi hai phần tử: phần tử cảm biến sơ cấp biến đổi áp suất thành dịch chuyển dựa tính chất lý đàn hồi, ví dụ ống Bourdon, màng rung, màng chắn capsule Phần tử thứ cấp cảm biến dịch chuyển, chuyển đổi độ dịch chuyển thành tín hiệu điện, ví dụ chiết áp, cảm biến sức căng (strain gauge), cảm biến cảm ứng, cảm biến tụ điện, biến áp vi sai Các cảm biến piezo: sử dụng phần tử biến sơ cấp tinh thể thạch có hiệu ứng áp trở (piezo-resistive) áp điện (piezo-electric) Khi tác động lực lên tinh thể thạch anh, hiệu ứng áp trở gây nên thay đổi điện trở tinh thể thạch anh, hiệu ứng áp điện gây nên tích điện khác dấu hai bề mặt tinh thể thạch anh Các cảm biến chân không: thường thực phép đo gián tiếp dựa nguyên lý truyền nhiệt (chân khơng kế Pirani) ion hóa chất khí (chân khơng kế ion hóa) Cảm biến lưu lượng • • • • Lưu lượng kế chênh áp: đo gián tiếp thông qua phép đo chênh áp dựa quan hệ lưu lượng dòng chảy độ chênh lệch áp suất qua cấu thu hẹp đường ống Lưu lượng kế turbin: đo gián tiếp thông qua tốc độ quay dựa quan hệ lưu lượng dòng chảy tốc độ quay turbin Lưu lượng kế điện từ: đo đại lượng điện dựa thay đổi điện dung điện cảm lưu lượng dòng chảy thay đổi Lưu lượng kế siêu âm: đo không tiếp xúc sử dụng sóng siêu âm xác định vận tốc dịng chảy dựa hiệu ứng Doppler, từ tính tốn lưu lượng Cảm biến mức • • • • Phương pháp tiếp xúc bề mặt: sử dụng phao, que dò phần tử cảm biến chuyển Phương pháp điện học: dựa tượng thay đổi điện dung điện cảm Phương pháp chênh áp: dựa phép đo chênh lệch áp suất hai vị trí có độ cao khác hình Phương pháp siêu âm: sử dụng cảm biến siêu âm đặt nắp bình chứa xác định khoảng cách bề mặt chất lỏng nắp 6.7 Nêu thành phần thiết bị chấp hành chức chúng Cho ví dụ minh họa Một thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) có chức can thiệp tới biến điều khiển theo tín hiệu đầu điều khiển Thành phần can thiệt tới trực tiếp biến điều khiển gọi phần tử điều khiển (control element), ví dụ van tỷ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải Phần tử điều khiển truyền lượng, truyền động từ cấu chấp hành (actuator), ví dụ hệ thống động cơ, cuộn hút cấu khí nén, thủy lực 6.8 Nêu thành phần phụ kiện van điều khiển Một van điểu khiển bao gồm thân van ghép nối với chế chấp hành với phụ kiện liên quan Phần thân van phụ kiện gắn với đường ống, đóng vai trị phần tử điều khiển Độ mở van lưu lượng qua van xác định hình dạng vị trí chốt van Các phụ kiện van là: • • • • • 6.9 Khâu chuyển đổi (transducer) Bộ định vị (positioner) Rơ le tăng áp (booster relay) Cảm biến giới hạn (limit switches) Van cuộn hút Phân loại van điều khiển theo chế chấp hành • • Van khí nén: loại phổ biến nhất, truyền động khí nén sử dụng màng chắn/ lị xo piston Tín hiệu đầu vào khí nén, dịng điện tín hiệu số (bus trường) Nếu tín hiệu điều khiển dòng điện, ta cần chuyển đổi dòng điện – khí nén (I/P) tích hợp bên tách riêng bên Van điện: chế chấp hành sử dụng động servo động bước, điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu vào điều khiển, thơng thường dịng điện tương tự 4-20mA tín hiệu số Van điện sử dụng ứng dụng cơng suất nhỏ địi hỏi độ xác cao • • Van thủy lực: chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng chắn piston, bơm dầu điều khiển tín hiệu từ điều khiển Van thủy lực sử dụng cho ứng dụng công suất lớn Van từ: cấu chấp hành cuộn hút kết hợp lị xo, lực nén yếu độ xác kém, phù hợp với toán đơn giản 6.10 Phân loại van điều khiển theo thiết kế chốt van • • • • Van cầu (globe value): chốt trượt có đầu hình cầu hình nón, chuyển động lên xuống Van nút (plug value): chốt xoay hình trụ (có đục lỗ theo chiều ngang) phần hình trụ Van bi (ball value): chốt xoay hình cầu (có đục lỗ theo chiều ngang) phần hình cầu Van bướm (butterfly value): chốt xoay hình đĩa 6.11 Giải thích vai trị định van Khi nên không nên sử dụng định vị? Bộ định van thực chất điều khiển thứ cấp cấu trúc điều khiển tầng Bộ định vị sử dụng tín hiệu đo vị trí cầu van (tức độ mở van thực) so sánh với giá trị đặt từ tín hiệu điều khiển, sở đưa tác động tới cấu chấp hành để điều chỉnh độ mở van Sử dụng định vị van cho phép cải thiện xác, mà cịn tăng tốc độ đáp ứng van Nếu kinh tế cho phép ta nên sử dụng định vị yêu cầu van có độ xác cao tốc độ đáp ứng nhanh động học trình chậm đáng kể so với van (hằng số thời gian lớn lần so với van) Tuy nhiên, định vị điều khiển vòng nên động học trình tương đối nhanh (hằng số thời gian khơng lớn lần so với van) định vị làm chậm giảm chất lượng điều khiển vịng ngồi Hơn nữa, ta sử dụng vịng điểu khiển lưu lượng vai trị định vị trở nên không cần thiết 6.12 Khi độ mở van cố định, lưu lượng qua van điều khiển biến thiên với sụt áp qua van với trọng lượng riêng chất lỏng ? Khi độ mở van cố định, lưu lượng qua van điều khiển tỉ lệ với bậc hai độ sụt áp qua van tỉ lệ nghịch với bậc hai trọng lượng riêng chất lỏng 6.13 Phân loại van điều khiển theo đặc tính cố hữu Loại van phù hợp cho toán điều chỉnh lưu lượng Trong trường hợp sử dụng van hợp lý? Dựa vào đặc tính cố hữu, loại van phân biệt sau: Đặc tính tuyến tính : độ sụt áp qua van cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến tính với độ mở van Đặc tính mở nhanh : độ sụt áp qua van cố định, lưu lượng qua van tỉ lệ tuyến tính với bậc hai độ mở van Đặc tính phần trăm nhau: độ sụt áp qua van cố định, độ mở van tăng lên lượng lưu lượng qua van tăng lên với tỉ lệ phần trăm so với giá trị Các trường hợp sử dụng cho loại van: Van mở nhanh: sử dụng cho van an tồn, cần đóng mở nhanh Van tuyến tính: sử dụng áp suất sụt qua van giữ tương đối cố định Van phần trăm nhau: chiếm tới khoảng 90% ứng dụng van điều khiển đặc tính lắp đặt gần tuyến tính Khi tỉ lệ sụt áp suất qua van với lưu lượng thấp cao lớn => nên chọn van 6.14 Giải thích khác đặc tính cố hữu đặc tính lắp đặt van điều khiển nguyên nhân dẫn tới khác Đặc tính dịng chảy cố hữu van quan hệ tĩnh lưu lượng qua van độ mở van điều khiện áp suất sụt áp qua van khơng đổi Ngược lại, đặc tính dịng chảy lắp đặt đặt tính thực tế van lắp đặt, có nghĩa cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác gây thay đổi sụt áp qua van Trong đặc tính cố hữu van phụ thuộc vào kích cỡ van thiết kế chốt van đặc tính lắp đặt cịn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác gây thay đổi sụt áp qua van 6.15 Giải thích hiệu ứng sức cản đường ống thiết bị công nghệ tới đặc tính lắp đặt van điều khiển Lưu lượng chất qua đường ống điều tiết cách thay đổi độ mở van Nhưng lưu lượng thay đổi áp suất tổn thất qua đường ống qua thiết bị trình thay đổi, áp suất bơm cấp thay đổi theo, dẫn tới chênh lệch áp suất qua van thay đổi Do đó, van có đặc tính tuyến tính cố hữu sau lắp đặt khơng cịn tuyến tính Trái lại, van có đặc tính phần trăm tính tốn lựa chọn hợp lý lại cho đặc tính lắp đặt gần tuyến tính phạm vi làm việc yêu cầu 6.16 Giải thích ý nghĩa chiều tác động Một van điểu khiển Chiều tác động thuận định nghĩa độ mở van giảm tín hiệu điều khiển tăng Chiều tác động nghịch định nghĩa độ mở van tăng tín hiệu điều khiển tăng Một van điều khiển phản hồi Chiều tác động thật có ý nghĩa điều khiển phản hồi, liên quan tới việc chọn dấu hệ số khuếch đại điều khiển Tác động thuận (direct acting, DA): Đầu điều khiển tăng biến điều khiển tăng ngược lại Tác động nghịch (reverse acting, RA): Đầu điều khiển giảm biến điều khiển tăng ngược lại 6.17 Việc lựa chọn chiều tác động van điều khiển phụ thuộc vào gì? Lựa chọn chiều tác động điều khiển phản hồi dựa sở nào? Sự lựa chọn chiều tác động phụ thuộc: – Đặc điểm trình: quan hệ biến điều khiển biến điều khiển – Kiểu tác động van điều khiển (chú ý chiều mũi tên ký hiệu van điều khiển): Đóng an tồn (fail close, air-to-open), chiều tác động thuận Mở an toàn (fail open, air-to-close), chiều tác động nghịch Coi đối tượng điều khiển = trình + van điều khiển => chiều tác động phụ thuộc vào dấu hệ số khuếch đại tĩnh đối tượng Việc lựa chọn chiều tác động điều khiển phản hồi yêu cầu hiểu biết đối tượng kiểu tác động van Chiều tác động điều khiển cần chọn cho hệ số khuếch đại toàn hệ hở (q trình cơng nghệ + điều khiển + van điều khiển) có giá trị dương 6.18 Trong ví dụ điều khiển phản hồi, chọn chiều tác động van điều khiển điều khiển chọn chiều tác động nghịch cho ví dụ mực nước cao, tín hiệu điều khiển cao báo LC, lệnh độ mở van tăng để xả bớt nước, để bình khơng cạn chọn chiều tác động thuận cho ví dụ mực nước cao, tín hiệu điều khiển cao báo LC, lệnh độ mở van giảm để giảm bớt nước, để bình khơng tràn Với ví dụ này, van điều khiển lưu lượng nước van FC để tránh gây nhiệt tín hiệu điều khiển hay nguồn Do đó, van có chiều tác động nghịch điều khiển có chiều tác động nghịch 6.19 Nêu ý nghĩa tính chất thành phần điều khiển PID Thành phần P: Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị sai lệch tĩnh Đơn giản, tác động nhanh Khó tránh khỏi sai lệch tĩnh với đối tượng khơng có đặc tính tích phân Phù hợp với đối tượng quán tính – tích phân Thành phần I: Thêm tổng sai số trước vào giá trị điều khiển Việc tính tổng sai số thực liên tục giá trị với giá trị đặt kết hệ cân sai số = Tác động tích phân giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh đặt giá trị thay đổi dạng bậc thang Thành phần tích phân làm xấu đặc tính học hệ thống: tác động chậm, dễ dao động dễ ổn định Thành phần D: Cộng thêm tốc đổ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ngõ Nếu sai số thay đổi nhanh tạo thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển Điều cải thiện đáp ứng hệ thống, giúp trạng thái hệ thống thay đổi nhanh chóng mau chóng đạt giá trị mong muốn Thành phần D cải thiện tốc độ đáp ứng giúp ổn định số trình dao động (không tắt dần) Thành phần D nhạy cảm với nhiễu đo Thành phần D nhạy cảm thay đổi giá trị đặt 6.20 Khi lựa chọn luật điều khiển: P: luật điều khiển P phù hợp với đối tượng quán tính – tích phân PI: phù hợp với đối tượng quán tính PID: phù hợp với trình dao động bậc hai tắt dần, q trình khơng ổn định bậc hai Vịng điều khiển lưu lượng: Động học đối tượng phụ thuộc chủ yếu vào van điều khiển, nhiễu đo cao tần => Hầu cần dùng luật PI Vòng điều khiển mức: Q trình có đặc tính tích phân, phép đo mức thường bị ảnh hưởng nhiễu => Luật P cho điều khiển lỏng luật PI cho điều khiển chặt Vòng điều khiển áp suất chất khí: Động học đối tượng phụ thuộc chủ yếu vào thiết bị chấp hành, q trình có đặc tính tích phân tương tự tốn điều khiển mức cao độ xác => Luật PI chủ yếu Vòng điều khiển nhiệt độ: Động học chậm, phép đo chịu ảnh hưởng nhiễu cao tần => Sử dụng luật PID Vòng điều khiển thành phần: Tương tự vòng điều khiển nhiệt độ => Thường sử dụng PID 6.21 Giải thích tượng bão hịa tích phân sử dụng điều khiển PID Khi tượng xảy ra? Nêu biện pháp khắc phục Bão hịa tích phân tượng đầu điều khiển tiếp tục tăng mức giới hạn tích lũy thành phần tích phân tiếp tục trì sai lệch điều khiển trở không Hiện tượng xảy điều khiển có chưa thành phần tích phân tín hiệu điều khiển bị hạn chế-một thực tế phổ biến Thành phần tích phân giúp cho đầu hệ kín nhanh chóng tiến đến giá trị đặt Tuy nhiên, tín hiệu điều khiển lớn thay đổi nhanh làm cho thiết bị chấp hành không đáp ứng tính chất tuyến tính luật điều khiển khơng cịn đảm bảo Ví dụ, tín hiệu điều khiển( chuẩn hóa đơn vị) lớn độ mở van lớn 1(mở hoàn toàn) Điều dẫn đến tượng sai lệch điều khiển chưa triệt tiêu nhanh trường hợp lý tưởng, chí tính ổn định hệ kín chưa đảm bảo Các biện pháp khắc phục: • • • • Khi sai lệch điều khiển 0, tách bỏ thành phần tích phân điều khiển tốt hết xóa trạng thái thành phần tích phân Giảm hệ số khuếch đầu điều khiển nằm phạm vi giới hạn cho phép, tránh xảy tượng bão hòa tích phân Theo dõi giá trị thực tín hiệu điều khiển bị giới hạn, phản hồi điều khiển để thực thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân Đặt khâu giới hạn đầu điều khiển để mô đặc tính phi tuyến thiết bị chấp hành sử dụng thuật tốn bù 6.22 Giải thích ý nghĩa việc đưa trọng số cho giá trị đặt thuật toán PID Việc đưa trọng số cho giá trị đặt thuật toán PID để hạn chế tác dụng thành phần P I lên đặc tính đáp ứng Cụ thể, trọng số c thêm vào cho giá trị đặt để tránh việc giá trị đặt thay đổi nhanh làm cho thành phần vi phân lớn, gây thay đổi đột ngột tín hiệu điều khiển Ngoài ra, trọng số b thêm vào cho giá trị đặt điều khiển hai bậc tự để hạn chết tác dụng thành phần P hay nói cách khác để làm mềm đặc tính đáp ứng hệ kín thay đổi giá trị đặt 6.23 Với luật điều khiển sử dụng thành phần vi phân, tượng xảy ta thay đổi nhanh giá trị đặt? Biện pháp khắc phục nào? Thành phân vi phân khâu tính nhân quả, khơng thực thi (hàm truyền đạt khơng tắc) Mặt khác, khâu vi phân đáp ứng nhanh với thay đổi tín hiệu sai lệch nên nhạy cảm với nhiễu đo Để khắc phục hai vấn đề này, ta xấp xỉ khâu vi phân sau: Khi đó, N trở thành tham số cho điều khiển, thường chọn khoảng 3-30 Như nói, khâu vi phân đáp ứng nhanh với thay đổi giá trị đặt Trong thực tế giá trị đặt thay đổi nhanh làm cho thành phân vi phân lớn, gây thay đổi đột ngột cho tín hiệu điều khiển Để tránh điều này, ta đưa trọng số c cho giá trị đặt Trong trường hợp đặc biệt c = 0, thành phần vi phân có tác dụng với thay đổi đầu y, có nghĩa có vai trị việc loại bỏ nhiễu q trình khơng có vai trị đáp ứng với giá trị đặt Đối với hệ thống điều khiển q trình giá trị đặt thay đổi, nên yêu cầu loại bỏ nhiễu đặt lên hàng đầu 6.24 Viết thuật toán PID theo thực chuẩn PID giải thích ý nghĩa tham số Dạng chung luật điều khiển là: Việc đưa thêm tham số N,b,c làm tăng thêm tính linh hoạt nhiều trường hợp cải thiện chất lượng cho điều khiển PID N tham số điều khiển, thường chọn khoảng 3-30, giá trị N lớn khâu xấp xỉ giống khâu vi phân thực ảnh hưởng nhiễu đo tăng theo Do khâu vi phân đáp ứng nhanh với thay đổi giá trị đặt nên thực tế giá trị đặt thay đổi nhanh làm cho thành phần vi phân lớn gây thay đổi đột ngột tín hiệu điều khiển Để tránh điều này, trọng số c đặt thêm cho giá trị đặt Trọng số b thêm vào khâu PID cải tiến (được bổ sung thêm khâu truyền thẳng) Trọng số b cho giá trị đặt chọn khoảng [0, 1] với vai trò làm hạn chế tác dụng thành phần P, làm “mềm hóa” đặc tính đáp ứng hệ kín với thay đổi giá trị đặt Giá trị b nhỏ giúp cho giảm độ điều chỉnh mà không ảnh hưởng tới đặc tính đáp ứng với nhiễu trình -Chú ý: Trường hợp c=1 K(s) hàm truyền đạt PID thực bậc tự Do tham số chỉnh nhiều phương pháp nghiên cứu P(s) đóng vai trò khâu chọn lọc trước giúp mềm hóa độ với giá trị đặt Nếu N đặt cố định sau chỉnh định K(s) b c thay đổi điểm khơng P(s) Vì thế, K(s) chỉnh định tốt cho mục đích ổn định hệ thống đáp ứng với nhiễu, ta chỉnh định tham số b c để cải thiện chất lượng đáp ứng với giá trị đặt Khi b=c=1, P(s) trở thành khâu khuếch đại đơn vị Cấu trúc ISA có ưu điểm tổng quát cho phép coi N.b,c tham số thiết kế để nâng cao chất lượng điều khiển 6.25 Mô tượng bão hịa tích phân cho vịng điều khiển PI Độ điều chỉnh đạt đến y = 1.1 tương đương 10%, thời gian độ 10s Giảm hệ số khuếch đại xuống 0.8, độ điều chỉnh giảm 3.7% nhiên thời gian đáp ứng khoảng 11s Áp dụng đặt khâu giới hạn đầu điều khiển để mơ đặc tính phi tuyến thiết bị chấp hành sử dụng thuật toán bù thu đồ thị đáp ứng Có thể thấy hiệu phương pháp giống phương pháp số 6.26 Trình bày phương pháp xấp xỉ thành phần tích phân vi phân thuật toán PID số Thuật toán PID số xây dựng cách gián đoạn hóa thuật toán PID liên tục Thành phần tỉ lệ thực thi ngay, khơng cần phải gián đoạn hóa Thành phần tích phân xấp xỉ hai phương pháp pp diện tích hình chữ nhật pp diện tích hình thang Với pp diện tích hình chữ nhật, thành phần tích phân biểu diễn thành: Trong T chu kỳ trích mẫu tín hiệu Thuật tốn xấp xỉ tích phân theo pp diện tích hình thang biểu diễn Giả sử t=0, thành phần thích phân lúc thành phần tích phân trước đo khoảng thời gian chu kỳ trích mẫu cộng với K lần (sai lệch điều khiển lúc t=0 cộng với sai lệch điều khiển trước đo chu kỳ trích mẫu) với K hệ số khuếch đại tỉ lệ nhân với chu kỳ trích mẫu chia cho lần thời gian tích phân Khâu vi phân cải tiến biểu diễn miền thời gian Được xấp xỉ với phép tính sai phần thành: Thuật tốn PID số viết gọn lại dạng song song sau: