(Luận văn thạc sĩ) thiết kế các bộ điều khiển IMC PID dựa trên phương pháp khử nhiễu cho các quá trình bậc một có 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 Q TRÌNH BẬC MỘT CĨ 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 MỘTCĨ 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 MỘTCĨ 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 Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN 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 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 CĨ 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 khơng có thời gian trễ .6 2.2.2 Hệ bậc hai khơng có 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 ĐIỀU KHIỂN ĐIỂN HÌNH 11 3.1 Giới thiệu 11 3.2 Khảo sát phương pháp thiết kế điều khiển PID 11 3.2.1 Phương pháp Ziegler - Nichols .11 3.2.2 Phương pháp Lee 14 3.2.3 Phương pháp Horn 19 3.2.4 Phương pháp Rivera 24 CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ PI/PID ĐIỂN HÌNH 31 4.1 Phương pháp tổng hợp trực tiếp .31 4.2 Phương pháp IMC .35 4.3 Phương pháp điều chỉnh theo mối quan hệ 38 4.4 Phương pháp điều chỉnh on-line sau lắp đặt điều khiển 40 4.5 Phương pháp đáp ứng tần số .42 4.6 Phương pháp mô máy tính 43 CHƢƠNG 5:PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN IMC-PID 44 5.1 Phương pháp xác định điều khiển hồi tiếp lý tưởng 44 5.2 Thiết kế điều khiển IMC-PID kết hợp lọc bậc thấp 47 5.2.1 Mơ hình xử lý FOPDT (First Order Plus Dead Time Process) 47 5.2.2 Mơ hình q trình tích phân cộng thời gian trễ IPDT 49 5.2.3 Mơ hình q trình không ổn định FODUP 50 CHƢƠNG 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 51 6.1 Các tiêu chuẩn ổn định điển hình .51 6.1.1 Tiêu chuẩn ổn định BODE 51 6.1.2 Tiêu chuẩn ổn định Nyquist 53 6.2 Các tiêu so sánh đặc tính đầu 54 6.2.1 Các tiêu chất lượng 54 6.2.2 Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng độ 55 6.3 Phương pháp ổn định bền vững theo giá trị Ms (Maximum Sensitivity) 57 CHƢƠNG 7:MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HOẠT ÐỘNG CỦA viii CÁC HỆ THỐNG, QUÁ TRÌNH ÐIỀU KHIỂN 59 7.1 Mơ phân tích q trình bậc có thời gian trễ (FOPDT) .59 7.2 Quá trình FOPDT nghiên cứu Lee et al 61 7.3 Mơ hình tháp chưng cất 63 7.4 Các q trình khơng ổn định FODUP 65 CHƢƠNG 8: KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 ix CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài: Mặc dù có nhiều báo cáo kỹ thuật điều khiển tiên tiến tài liệu lớn, cấu trúc IMC, cấu trúc điều khiển có chứa mơ hình nội thiết bị trình bày Garcia Morari1, mô hình điều khiển sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp, đơn giản, linh hoạt khả tiếp cận Vì vậy, số viện kỹ sư điều khiển tự động2 -13,16 sử dụng nguyên tắc IMC để thiết kế điều khiển PID, mà thường gọi điều khiển PID - IMC Lợi quan trọng quy tắc điều chỉnh IMC - PID cân hiệu suất mạch kín độ ổn định,có thể đạt trực tiếp cách sử dụng thơng số điều chỉnh nhất, có liên quan đến số thời gian vịng lặp kín Hơn nữa, quy tắc điều chỉnh IMC - PID chứng minh tốt với điểm đặt loại bỏ nhiễu chậm, điều trở nên xấu cho trình xử lý với tỉ lệ nhỏ thời gian trễ/ số thời gian3,4,7 -13 Tuy nhiên, cần lưu ý khử nhiễu quan trọng việc theo dõi điểm thiết lập đầu vào,cho nhiều ứng dụng điều khiển q trình.Và đó, trở thành vấn đề cấp thiết nhiều nhà nghiên cứu Chen Seborg14 chứng minh cộng trực tiếp khử nhiễu.Trong đó, tham số điều khiển PID thu cách tính toán điều khiển phản hồi lý tưởng, cho đáp ứng vịng lặp kín Bên cạnh đó, cần nhấn mạnh mơ hình điều khiển bậc tự sử dụng để cải thiện hiệu suất khử nhiễu cho q trình có thời gian trễ khác nhau8,9,12,13 Trong trường hợp này, phương pháp Lee et al.8 ví dụ điển hình việc áp dụng mơ hình điều khiển này.Các lọc IMC bao gồm quy tắc dẫn đến việc bỏ qua chi phối trình đề xuất Horn et al.7 Hơn nữa, hiệu suất điều khiển tăng cường đáng kể cách sử dụng điều khiển PID ghép tầng với lọc thông thường, dễ dàng thực phần cứng điều khiển đại Do đó, số điều khiển điều chỉnh thông thường2,3,7,8,12 giới thiệu phức tạp so với điều khiển PID với q trình có thời gian trễ Tuy nhiên, khó khăn dễ dàng khắc phục cách sử dụng số xấp xỉ thông minh cho phần thời gian trễ việc mơ hình q trình Nhìn chung, thiết kế điều khiển PID - IMC thảo luận thường xuyên tài liệu lớn, việc thiết kế điều khiển đơn giản hiệu với cải thiện hồn hảo hiệu suất khơng đủ thỏa mãn cho loạt q trình có thời gian trễ Hơn nữa, số điều khiển cung cấp đáp ứng điểm đặt tốt khử nhiễu ngược lại Vì vậy, nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế điều khiển PID theo tầng với lọc đầu vào để thực mục đích điều khiển khác nhau: Các quy tắc điều khiển cần đơn giản, hình thức phân tích, dựa mơ hình, dễ dàng để thực thực tế với hiệu suất cao cho vấn đề điều khiển vấn đề phụ Một số nghiên cứu thực để chứng minh đơn giản hiệu phương pháp đề xuất nhằm so sánh với số phương pháp thiết kế bật, điều khiển điều chỉnh để có mức độ vững vàng giá trị độ nhạy cực đại (Ms) Kết mô xác nhận phương pháp đề xuất đủ khả điều khiển PID mạnh mẽ cho khử nhiễu theo dõi điểm đặt đầu vào 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu Trong nghiên cứu này, điều khiển PID kết hợp với lọc xác định xấp xỉ với điều khiển phản hồi lý tuởng, thu đuợc cách sử dụng trực tiếp xấp xỉ Padé bậccao, nghiên cứu truớc gián tiếp sử dụng xấp xỉ Pade phần thời gian trễ Nghiên cứu đuợc tập trung vào việc thiết kế điều khiển PID kết nối với lọc tiêu chuẩn, để thực mục đích điều khiển khác nhau.Quy tắc điều chỉnh đơn giản, dựa mô hình dễ dàng ứng dụng thực tế với hiệu suất cao 1.3 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thực nhằm đề xuất phương pháp hợp để điều khiểncác q trình cơng nghiệp có thời gian trễ.Bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế điều khiển PID kết hợp với lọc IMC, nhằm tăng cường hiệu suất làm việc, độ an tồn vận hành hệ thống, q trìng cơng nghiệp Nhiều ứng dụng nghiên cứu để chứng minh đơn giản hiệu phương pháp đề xuất so với số phương pháp thiết kế tiếng khác Kết mô phỏngxác nhận phương pháp đề nghị đủ khả tạo ổn định cho điều khiển PID 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Xác định điều khiển hồi tiếp lý tưởng - Thiết kế điều khiển IMC-PID kết hợp với lọc bậc thấp - Mô phỏng, đánh giá kết 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Hiện có nhiều phương pháp thiết kế diều khiển PID khác đề xuất nhiều nhà nghiên cứu giới Tuy nhiên, chưa có phương pháp hợp để thiết kế điều khiển dùng cho tất q trình cơng nghiệp có thời gian trễ với tính vượt trội hiệu hoạt động Chính vậy, thiết kế điều khiển PID cao cấp, hợp để sử dụng cho tất qui trình công nghiệp mang ý nghĩa quan trọng thời điểm Tại Việt Nam, việc nghiên cứu điều khiển PID quan tâm nhiều nhu cầu cấp thiết việc áp dụng vào thực tế sản xuất nhiều nhà máy, xí nghiệp nước.Đặc biệt nhà máy, xí nghiệp tách, lọc, chiết suất dầu khí sản phẩm có liên quan Hình 6.3 Biểu diễn giá trị Ms Theo giả thuyết chung độ nhạy khơng thể 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 ln ln bên ngồi vịng trịn 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 vịng 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