BÀI TẬP LỚN process control, PID and adaptive control

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÀI TẬP LỚN Process control, PID and adaptive control NHÓM Trần Đức Mạnh 20174041 Vũ Xuân Trường 20174309 Nguyễn Văn Kiên 20173990 Nguyễn Đăng Hưng 20173941 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Bùi Đăng Thảnh Viện: Điện Lời nói đầu Quản lý việc cài đặt điều khiển công việc hệ thống tồ nhà tự động hố Điều khiển trình việc quản lý cài đặt chức điều khiển Trong hệ thống tồ nhà, điều khiển vịng kín thực hầu hết quy trình điều khiển q trình Để đạt ổn định cho vịng điều khiển kín, hàng trăm sách lược thuật toán điều khiển phát minh Tuy nhiên, thực tế quan sát thấy thuật toán PID sử dụng 80 % tổng số thuật toán điều khiển đượng áp dụng cho ứng dụng cơng nghiệp, Trong hệ thống quản lý tồ nhà, tỷ lệ chí cịn cao Chương thể nét đặc trưng điều khiển vịng kín, điều khiển với khâu tỉ lệ, khâu tích phân, vi phân, điều khiển PID, phương pháp điều chỉnh khâu PID, chức điều khiển PID số, ưu điểm chủ đề liên quan đến điều khiển vịng kín bao gồm điều chỉnh tự động (auto-tuning), điều khiển điều chỉnh khuếch đại ( gain-scheduling control), hệ thống tự điều chỉnh(self-tuning control) Mục lục Contents 7.1 Những phương pháp điều khiển vịng kín 7.2 Điều khiển tỷ lệ 7.2.1 Phương thức hoạt động điều khiển tỷ lệ: 7.2.2 Đáp ứng trạng thái ổn định điều khiển tỷ lệ 12 7.3 Điều khiển tích phân 14 7.4 Điều khiển vi phân .18 7.5 Hàm tỷ lệ, tích phân đạo hàm .21 7.6 Điều chỉnh vòng điều khiển PID 23 7.6.1 Phương pháp thử nghiệm vòng hở .24 7.6.2 Phương pháp thử nghiệm vịng kín 26 7.7 PID kỹ thuật số điều khiển kỹ thuật số trực tiếp (DDC) 27 7.8 Giới thiệu điều khiển thích nghi 33 7.8.1 Auto- tuning 34 7.8.2 Gain scheduling 36 Điều khiển q trình, PID điều khiển thích nghi 7.1 Những phương pháp điều khiển vịng kín Tuỳ thuộc vào thơng tin sử dụng để điều chỉnh hoạt động hệ thống điều khiển, tất hệ thống khiển xếp vào loại nhất, điều khiển vòng kín ( closed loop) điều khiển vịng hở( open loop) Hình 7.1 cho ta thầy khối chức hệ thống điều khiển vòng mở Trong hệ thống điều khiển vòng hở, biến đầu xác đinh ảnh hưởng nhiễu đầu vào điều chỉnh, tinh chỉnh đầu vào(vd lượng, vật chất đầu vào…) biến số thiết bị trường để truyền tải thơng tin cho điều khiển Bộ điều khiển, theo giá trị mong muốn biến điều khiển, tạo tín hiệu điều khiển cho thiết bị trường cách thực luật điều khiển điều khiển thuật toán thực tế dựa mối tương quan dự đoán đầu vào đầu trình Hình 7.1 Sơ đồ khối điều khiển vịng hở Hình 7.2, cho biết: - Nhiễu đo - ảnh hưởng nhiễn lên giá trị điều khiển ước lượng, bù chúng( bù nhiễu tải) Có thể tốn không thực tế để định lượng nhiễu ước tính ảnh hưởng chúng cách xác Chúng ta sử dụng điều khiển nhiệt độ phịng phịng có hệ thống sưởi làm ví dụ Tải trọng sưởi ấm phịng bị ảnh hưởng mạnh nhiệt độ khơng khí trời, xạ mặt trời, xâm nhập, nhiệt bên từ người, ánh sáng thiết bị, v.v Để kiểm sốt đầu nhiệt kiểm sốt nhiệt độ phịng cách xác, trước tiên, cần đo thay đổi yếu tố xáo trộn bên bên Thứ hai, nên có mơ hình tốn học xác tương quan thơng số bên ngồi bên tải máy sưởi Khi xác điều khiển nhiệt độ khơng khí phịng cần thiết, hệ thống điều khiển vơ phức tạp, chí bất khả thi, cho dù ứng dụng vào ứng dụng đơn giản Chắc chắn rằng, hệ thống điều khiển vòng hở ổn đinh khơng có rắc rối điều khiển ổn đinh giống với hệ hệ thống điều khiển vịng kín Hình 7.2 Hệ thống điều khiển bù nhiễu vòng hở Để giải vấn đề phức tạp, giải pháp đơn giản lại hiệu Đó sử dụng biến kiểm soát, mục tiêu cuối hệ thống, làm giá trị đặt (reference variable) cho hệ thống điều khiển Chúng ta xem xem cách để người vận hành kiểm sốt nhiệt độ phịng trường hợp Một cách đơn giản hiệu để kiểm tra nhiệt độ phòng kiểm tra nhiệt độ phịng thực thể điều trình máy sưởi Điều dấn đến thuật tốn điều khiển vịng kín hay điều khiển phản hồi thứ mà thường xuyên sử dụng, kể khơng nhận Để điều chỉnh nhiệt độ phòng thoả mãn yêu cầu đề ra, người điều khiển phải đáp ứng số yêu cầu Anh ta phải : - Nhiệt độ phòng mong muốn ( set-point or desired value) - Thiết bị cung cấp để điều khiển nhiệt độ ( control element) - Các thiết bị cung cấp để đo nhiệt độ ( sensing element) - Sự dẫn, hướng điều chỉnh nhiệt độ mong muốn( chức điều khiển, phản hồi âm,…) Nếu hệ thống trạng thái ổn định, đạt nhiệt độ mong muốn vài xáo trộn( nhiễu ) xuất hiện, khiến cho nhiệt độ phịng điều khiển thay đổi với thơng số khác so với trước Người vận hành khơng thể biết thứ nhiệt kế hiển thị cho họ thấy sai lệch nhiệt độ xảy Điều nói lên độ xác hệ thống điều khiển tối đa độ xác cảm biến Khi giá trị mà nhiệt kế đo thay đổi, hệ thống so sánh giá trị nhiệt độ đọc ( biến điều khiển “y”) giá trị nhiệt độ mong muốn ( giá trị đặt “r”) để tính tốn khác chúng, để tính độ sai lệch “e” : e=r–y Nên nhớ tín hiệu sai lệch “e” thị cho việc nhiệt độ điều khiển cao hay thấp, để xác định hướng điều chỉnh cần thiết, tức đóng hay cắt van Giá trị sai lêch “e” xác định mức độ thay đổi cần thiết điều khiển, van điều khiển xác, nhiệt độ trở với giá trị ban đầu Nó xem vịng điều khiển kín với tín hiệu hay thông tin truyền tin nối tiếp thông qua: nhiệt độ phòng, nhiệt độ cảm biến, hiển thị, mắt, não , bắp , giá trị điều khiển, dòng chảy nhiệt tạo quay trở lại nhiệt độ phịng Bản chất vật lý tín hiệu khác số giai đoạn vòng lặp, ảnh hưởng đến giai đoạn vòng lặp ảnh hưởng đến phần kéo theo ảnh hưởng đến tất mắt xích vịng lặp Như hình 7.3, cho thấy khối sơ đồ tương đương trình vòng lặp Điều quan trọng cần lưu ý điều khiển phản hồi đạt yêu cầu đặt ra(duy trì giá trị cần điều khiển đầu theo giá trị đặt chúng) tín hiệu phản hồi tín hiệu âm, có, điều khiển phản hồi âm Hình 7.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển nhiệt độ phòng sử dụng máy sưởi - Một hệ thống điều khiển định nghĩa bao gồm kết nối thành phần mà tạo cấu hình cho hệ thống mà đảm bảo phản hồi hệ thống mong muốn Bởi phản hồi đầu mong muốn hệ thống biết, tín hiệu, cách đó, tỷ lệ với sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu phản hồi, tạo Việc sử dụng tín hiệu để kiểm sốt q trình dẫn đến chuỗi vịng kín hoạt động gọi hệ thống phản hồi Trong ví dụ này, ta thấy đời điều khiển phản hồi giảm đáng kể phức tạp hệ thống điều khiển vòng hở đầu hệ thống điều khiển xác giá trị mong muốn Ta tóm tắt lợi ích việc sử dụng hệ thống điều khiển phản hồi sau: Dễ dàng kiểm soát điều chỉnh phản ứng tức thời hệ thống Giảm đáng kể nhiễu động từ môi trường bên ngoài( ngoại trừ nhiễu liên quan đến cảm biến) biến điều khiển Giảm thiểu nhiều lỗi trạng thái ổn định hệ thống Giảm độ nhạy biến số hệ thống q trình biến tolerant( mài mịn , tuổi tác thiết bị tác động môi trường Việc bổ sung tín hiệu phản hồi vào hệ thống điều khiển dẫn đến ưu điểm nêu bên Và hiển nhiên, ưu điểm có giá Cái giá việc có tín hiệu phản hồi việc có khả ổn định Nguyên nhân việc điều chỉnh mức thơng số đầu vào q trình hệ độ trễ tín hiệu thành phần động lực học hệ thống.Trong hệ thống vòng hở ổn định, hệ thống vịng kín ổn định không Vấn đề không ổn định hệ thống điều khiển vịng kín thường vấn đề quan trọng dẫn đến nhiều khó khăn cho người thiết kế điều khiển Việc bổ sung tín hiệu phản hồi vào cho hệ thống có tính động học thường dẫn đến số vấn đề cho người thiết kế Tuy nhiên, hầu hết trường hợp lợi ích mà hệ thống vịng kín mang lại thường vượt trội so với mặt hạn chế Vì thế, thật cần thiết để cân nhắc yếu tố phức tạp vấn đề tính ổn định Hãy nhớ rằng, hệ thống làm việc với điều khiển vòng hở, với thiết kế đơn giản, mang lại độ xác mong muốn, hệ thống nên được xem xét với điều khiển vòng hở 7.2 Điều khiển tỷ lệ 7.2.1 Phương thức hoạt động điều khiển tỷ lệ: Hình 7.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phản hồi đơn giản Hình 7.4 cho ta thấy sơ đồ khối hệ thống điều khiển đơn giản Khối Bộ điều khiển cung cấp hàm truyền với đầu vào sai lệch e, sai lệch tín hiệu đặc tín hiệu phản hồi điều khiển phải hoạt động dựa tín hiệu đầu vào vài cách đó, tạo tín hiệu đầu chuyển tín hiệu đến van thành phần điều khiển tiếp đến Theo trình đó, thơng thường điều khiển PID Dưới loại chức điều khiển PID thảo luận Bộ điều khiển PID nguyên tắc đơn giản Chúng đóng vai trị quan trọng trình điều khiển tự động điều khiển sử dụng phổ biến điều khiển trình nhiều dạng khác Nếu người phải kiểm soát đưa định dựa thơng tin đầu vào, người phải đưa định( thay đổi) lớn thông tin đầu vào lớn,và ngược lại Kinh nghiệm coi khâu điều khiển tỷ lệ Đây mối quan hệ đơn giản tín hiệu đầu vào e(t) tín hiệu đầu u(t), theo thay đổi đầu vào nhân lên giá trị không đổi phù hợp(Kp) để tạo thay đổi thơng số đầu Trong , uo đại lượng cần điều khiển đầu khơng có lỗi số khuếch đại thường số t chất tín hiệu đầu thường khác với tín hiệu đầu vào Do đơn vị hệ số tỷ lệ thường thay đổi tuỳ thuộc vào đơn vị thực tế biến điều khiển biến đầu Nói chung, hệ số kp tham số điều chỉnh mà giá trị lựa chọn thiết lập người vận hành Về lý thuyết, tín hiệu đầu rõ ràng nhận giá trị thực tế đầu bị giới hạn phạm vi hữu hạn đầu điều khiển phạm vi phần tử điều khiển cuối cùng, ví dụ van hay van tiết lưu thay đổi trạng thái từ đóng sang mở hồn tồn Đó coi hiệu ứng bão hồ Nó tạo đường cong đầu vào/đầu thực tế hình 7.5 Các đường cong cung cấp hành động thích hợp cho nhiệm vụ gia nhiệt Vợi nhiệm vụ làm mát hệ số tỷ lệ thường âm Hình 7.5 Đặc tính đầu vào/đầu điều khiển tỷ lệ với khâu bão hoà giới hạn đầu điều khiển giải giá trị Nói chung, điều khiển tỷ lệ phải có biến số mà người vận hành thiết lập công tắc nút nhấn: giá trị đặt, giá trị biến điều khiển mà điều khiển đặt để trì, hệ số tỷ lệ, thực chất độ dốc đường cong đầu vào/đầu Thơng số thứ tín hiệu đầu danh nghĩa, thường áp dụng điều khiển tỷ lệ làm giảm độ lẹch trạng thái ổn định, mà ta nói đến phần sau Các điều khiển thực tế dễ dàng cung cấp với độ nhiệt độ núm thiết lập giá trị đặt( kỹ thuật điện tử kỹ thuật số, hiển thị hình kỹ thuật số), hệ số tỷ lệ thường thay phương pháp, gọi dải tỷ lệ Dải tỷ lệ minh hoạ hình 7.6 Nó định nghĩa thay đổi giá trị biến điều khiển mong muốn thành phần điều khiển dịch chuyển hết phạm vi hoạt động hành trình Dải tỷ lệ= tồn dải hoạt động đầu điều khiển hệ số tỷ lệ Thông thường, quan tâm đến đầu điều khiển nằm khoảng từ đến 100 phần trăm Do , có mối quan hệ đại lượng chuyển đổi lại sau: hệ số tỉ lệ = 100 % Dải tỷ lệ Điều khiển trình, PID điều khiển thích nghi tín hiệu điều khiển tỷ lệ với đạo hàm thời gian tốc độ thay đổi tức thời lỗi Điều không ảnh hưởng đến phần bù, cho phép sử dụng độ lợi tỷ lệ lớn tạo hành động điều chỉnh sớm hơn, có tính đến xu hướng thay đổi Hầu hết điều khiển kỹ thuật số kết hợp ba loại hành động (tỷ lệ, tích phân đạo hàm, P + I + D) để kết hợp ưu điểm chúng Các cường độ tương đối hành động kiểm soát phải điều chỉnh để phù hợp với đặc tính phản ứng q trình kiểm sốt Hằng số khuếch đại tỷ lệ Kp xác định độ nhạy hành động tỷ lệ hành động tích phân đạo hàm liên quan đến thời gian, chúng điều chỉnh cách tham chiếu đến gọi thời gian hoạt động: thời gian tích phân (hành động) Ti thời gian đạo hàm (hành động) Td Đây dạng thuật toán PID cổ điển gọi điều khiển PID không tương tác lý tưởng thuật toán ISA Chức truyền điều khiển P + I + D là: PID(s) = Kp (1 + 1/Ti s + Td s) (7–10) Các ví dụ trình bày thường sử dụng Chúng đặt tên điều khiển PID song song lý tưởng (7–11) điều khiển PID tương tác (7–12) Trong thực tế, cần ý đến dạng thuật toán PID sử dụng để điều chỉnh điều khiển thực tế điều khiển PID dạng khác khác việc lựa chọn tham số đó, Kp độ lợi, Ti Ki cài đặt tích phân, Tp Kd cài đặt phái sinh điều khiển Tóm lại, hàm tích phân có xu hướng làm ổn định hệ thống; chức điều khiển phái sinh có xu hướng củng cố ổn định Mặc dù chức tích phân thường đưa vào để giảm loại bỏ độ lệch điều khiển tỷ lệ để điều khiển xác hơn, tác động làm cho hệ thống dao động điều khiển Mặc dù lý thuyết, việc bổ sung hàm dẫn xuất vào điều khiển tỷ lệ không loại bỏ độ lệch, nhiên, cho phép chọn dải tỷ lệ hẹp để độ lệch giảm xuống giá trị chấp nhận Điều quan trọng chọn cài đặt phù hợp cho Kp, Ti Td Phần mô tả số phương pháp thực nghiệm đơn giản mà đưa lựa chọn gần ban đầu 7.6 Điều chỉnh vòng điều khiển PID Để đưa số hướng dẫn cài đặt ban đầu phù hợp cho điều khiển, điều giúp kiểm soát tốt cách hợp lý mà không chậm dao động, số thử nghiệm đơn giản phát triển Chúng đặc biệt nhắm vào ngành công nghiệp chế biến, khơng có lý chúng khơng sử dụng cho ứng dụng khác dịch vụ xây dựng Giả thiết có q trình điều khiển phản hồi âm vịng kín Hình 7.10 đặc tính cấu chấp hành / van, trình cảm biến cố định cần phải đặt điều khiển cho phù hợp với đặc tính cách thỏa đáng Hai phương pháp thảo luận đây: phương pháp thử nghiệm vòng hở (hoặc phương pháp đường cong phản ứng q trình) phương pháp thử nghiệm vịng kín (hoặc phương pháp chu trình cuối cùng) Phương pháp kiểm tra vịng hở cần ngắt kết nối vòng điều khiển, điều khiển kỹ thuật số đại thường cho phép ‘ngắt kết nối’ vịng điều khiển kín cách thuận tiện cách cài đặt cấu hình phần mềm mà khơng cần ngắt kết nối phần cứng Thử nghiệm vịng kín tạo dao động mạnh gây hại cho việc lắp đặt Việc lựa chọn phương pháp kiểm tra phụ thuộc vào tính dễ sử dụng khả thực trường hợp thực tế 7.6.1 Phương pháp thử nghiệm vòng hở Trong phương pháp này, điều khiển cách ly vòng điều khiển kín ngắt kết nối Thử nghiệm thực phần cịn lại vịng điều khiển Nó phải bố trí cho tín hiệu đưa vào thay cho đầu điều khiển tín hiệu khác vào đầu vào điều khiển quan sát ghi lại (xem Hình 7.10) Một đầu vào bước trì có cường độ X áp dụng cho van, phản ứng Y2 quan sát ghi lại, Hình 7.11 Trong hầu hết trường hợp, phản hồi tuân theo dạng tổng quát đường cong hình chữ S thể Hình 7.11, phản ứng kết tất độ trễ, độ trễ, số thời gian hệ số khuếch đại hệ thống kiểm soát Từ đường cong thực nghiệm đo ba giá trị, tương ứng với độ trễ túy L, số thời gian T hệ số khuếch đại trạng thái ổn định Y / X Do đó, hàm truyền tổng thể tương đương vịng lặp mở là: Sau đó, tính tốn cài đặt điều khiển cần thiết để cung cấp hiệu suất điều khiển hợp lý Có nhiều đề xuất liên quan đến cài đặt PID đề xuất với thông số đặc trưng hệ thống thu từ thử nghiệm Hai nhóm đề xuất tiếng liệt kê Bảng 7.1 7.2 Hình 7.10 Hệ thống lựa chọn cài đặt điều khiển theo kinh nghiệm Hình 7.11 Dạng sóng đầu vào đầu cho phương pháp thử nghiệm vòng hở Bảng 7.1 Cài đặt Ziegler Nichols (A = X / Y, B = T / L; xem Hình 7.11) Bảng 7.2 Cài đặt Cohen Coon (A, B trước, R = L / T; xem Hình 7.11) 7.6.2 Phương pháp thử nghiệm vịng kín Một thử nghiệm thực nghiệm khác đề xuất cho phép điều khiển kết nối vòng điều khiển giảm dần dải tần tỷ lệ (tương ứng với việc tăng độ lợi Kp) hệ thống trì dao động ổn định với biên độ khơng đổi Hình 7.12 Quy trình kiểm tra sau Đầu tiên, hàm tích phân đạo hàm phải vơ hiệu hóa điều khiển ảnh hưởng chúng phải giảm xuống mức tối thiểu cách đặt Ti thành giá trị lớn Td thành giá trị nhỏ Sau đó, độ lợi tỷ lệ tăng dần quan sát phản ứng vịng điều khiển Giá trị nhỏ Kp Hình 7.12 Đáp ứng trình phương pháp thử nghiệm vịng kín Bảng 7.3 Cài đặt điều khiển cho phương pháp thử nghiệm vịng kín mà tạo dao động ổn định mà không chết ký hiệu Kp ' Chu kỳ dao động đo (xem Hình 7.12) sau ký hiệu T ’ Các cài đặt điều khiển khuyến nghị sau liên quan đến Kp ’và T’ nêu Bảng 7.3 7.7 PID kỹ thuật số điều khiển kỹ thuật số trực tiếp (DDC) Chức điều khiển kỹ thuật số (máy trạm) thực điều khiển kỹ thuật số trực tiếp Điều khiển kỹ thuật số trực tiếp thường sử dụng thay cho vòng điều khiển cục khí nén điện thơng thường Có số định nghĩa chấp nhận ngành DDC Nó định nghĩa 'một vịng điều khiển điều khiển kỹ thuật số cập nhật định kỳ quy trình dạng hàm tập hợp biến điều khiển đo lường tập hợp thuật toán điều khiển định' Trên thực tế, DDC vòng điều khiển cục điều khiển kỹ thuật số sử dụng Giống loại điều khiển thơng thường sử dụng tịa nhà, PID đóng vai trị quan trọng hầu hết vòng điều khiển điều khiển điều khiển kỹ thuật số Như loại điều khiển thơng thường, khơng có tiêu chuẩn cơng nghiệp cho điều khiển PID Các thuật toán PID sử dụng điều khiển thực tế nhà sản xuất khác khác Các nhà sản xuất thay đổi tên đơn vị Do đó, người ta phải cẩn thận thuật toán thực tế sử dụng định nghĩa tham số điều chỉnh sử dụng điều khiển thu từ thị trường Ngay hai điều khiển kỹ thuật số từ nhà sản xuất khác có thuật tốn PID mơ tả dạng tương tự hàm PID, hiệu suất điều khiển khác đáng kể biểu diễn dạng rời rạc khác hàm PID thời gian lấy mẫu Tuy nhiên, thuật toán PID từ hầu hết nhà sản xuất phù hợp với ba cách phân loại chính: tương tác, không tương tác song song Các nhà sản xuất khác tên họ cho danh mục Vì vậy, cách để thực biết bạn có xem phương trình điều khiển Ở dạng lý tưởng, ba loại là: • Bộ điều khiển PID khơng tương tác thuật toán ISA lý tưởng: Bộ điều khiển PID song song lý tưởng: Bộ điều khiển PID tương tác: Trong Kp hệ số tỉ lệ, Ti Ip hệ số tích phân điều khiển Td Dp hệ số vi phân điều khiển Hình 7.13 cho thấy sơ đồ khối vịng lặp DDC điển hình Một điều khiển kỹ thuật số thường có số kênh đầu vào kênh đầu Do đó, thơng thường nhiều vòng DDC điều khiển điều khiển kỹ thuật số Hình 7.14 cho thấy tín hiệu qua vịng lặp DDC Có thể giả định tất số vào khỏi điều khiển khoảng thời gian cố định T, gọi chu kỳ lấy mẫu thời gian lấy mẫu Các biến r(kT), m(kT) you(kT) chuỗi tín hiệu rời rạc, trái ngược với m(t), c(t) y(t), hàm liên tục thời gian Dữ liệu thu cho biến hệ thống khoảng thời gian rời rạc gọi liệu mẫu Hình 7.13 Sơ đồ khối vịng điều khiển DDC đặc trưng Hình 7.14 Dịng tín hiệu qua vịng điều khiển DDC Nếu thời gian lấy mẫu chọn nhỏ so với số thời gian trình, hệ thống liên tục phương pháp sử dụng hệ thống điều khiển tương tự hợp lệ Nếu thời gian lấy mẫu có độ lớn với số thời gian quy trình, thời gian lấy mẫu ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển vịng kín, xảy thực tế Có lý thuyết phương pháp phát triển để phân tích tính ổn định vịng điều khiển tín hiệu rời rạc Tuy nhiên, trường hợp này, người ta có ý tưởng hữu ích ổn định vòng lặp DDC cách sử dụng lý thuyết phương pháp sử dụng hệ thống điều khiển tương tự Điều khiển PID kỹ thuật số phải thực chức điều khiển dựa tín hiệu rời rạc thu từ phận đầu vào điều khiển Nếu có tín hiệu lỗi khoảnh khắc lấy mẫu dạng loạt liệu rời rạc: e0, e1, e2, e3, … …, ek–2, ek–1, ek tác động PID thuật tốn ISA Phương trình (7-13) chu kỳ thứ K tức tính Khâu tỉ lệ D: Khâu tích phân I: Khâu vi phân D: Do đó, đầu PID chu kỳ lấy mẫu thứ K tính phương trình: Khâu tích phân I thường sử dụng dạng gia tăng Phương trình (7-20), có nghĩa cần ghi lại liệu chu kỳ trích mẫu thứ K K-1 Đầu PID sau tính theo phương trình: Bảng 7.4 Một ví dụ mã nguồn chương trình PID FUNCTION PID(P,Tset,GAIN,Ti,Td,Iterm0,Dterm0,ERR0,TIMEB,TIME,Pte rmN) Real Iterm,Iterm0 Logical NOITERM,NODTERM C Computing error ERR = Tset-P C Sampling interval Tsamp = TIME-TIMEB C Proportional action Pterm = GAIN*ERR+PtermN Pterm = MAX(-100.0,MIN(125.0,PTERM)) C Integral action NOITERM=(Ti.LE.0.0).OR.(Ti.GT.9E+4) IF (NOITERM) THEN Iterm = 0.0 ELSEIF ((Pterm+Iterm0).GT.100.0) THEN Iterm = Iterm0 ELSEIF ((Pterm+Iterm0).LT.0.0) THEN Iterm = Iterm0 ELSE Iterm = Iterm0+(((ERR0+ERR)/2.0)*Tsamp/Ti)*GAIN ENDIF C Differential action NODTERM = (Td/Tsamp).LT.1.0E-3 IF(NODTERM) THEN Dterm = 0.0 ELSE Dterm = GAIN*Td*(ERR-ERR0)/Tsamp Dterm = (Dterm+Dterm0)/2.0 Dterm = MAX(-25.0,MIN(25.0,Dterm)) ENDIF C Controller output PID = Pterm+Iterm+Dterm PID = MIN(100.0,MAX(0.0,PID)) C Update previous integral and derivative actions Iterm0 = Iterm Dterm0 = Dterm ERR0 = ERR RETURN END Là ví dụ việc sử dụng thực tế thuật toán PID điều khiển kỹ thuật số, mã nguồn chương trình (chương trình fortran) liệt kê Bảng 7.4, thực thuật tốn ISA Trong quy trình này, khâu tỉ lệ bị giới hạn khoảng từ -100% đến +125%; khâu vi phân sử dụng mức trung bình bước trước để tăng độ tin cậy bị giới hạn phạm vi -25% +25%; đầu PID cuối giới hạn từ đến 100% Các biểu tượng sử dụng chương trình mơ tả Bảng 7.5 Bảng 7.5 Mô tả ký hiệu sử dụng C Dterm Giá trị khâu tích phân (trả về) Giá trị khâu vi phân Dterm0 Khâu vi phân từ chu kỳ lấy mẫu trước (đầu vào); hoặc, giá trị khâu vi phân (trả về) ERR Giá trị sai lệch (trả về) ERR0 Xử lý sai lệch từ mẫu trước (đầu vào); hoặc, giá trị sai lệch biến trình (trả về) GAIN Độ lợi khâu tỷ lệ (%) Iterm Khâu tích phân chu kỳ Iterm0 Khâu tích phân từ chu kỳ lấy mẫu trước (đầu vào); hoặc, giá trị khâu tích phân (trả về) PID Đầu điều khiển (0–100%) P Biến trình Pterm PtermN Giá trị khâu tỷ lệ Đầu danh nghĩa khâu tỷ lệ với zero-error Td Thời gian vi phân (giây) Ti Thời gian tích phân (giây) TIMEB TIME Thời gian lấy mẫu trước (giây) Thời gian (giây) Tsamp Tset Thời gian trích mẫu Giá trị đặt 7.8 Giới thiệu điều khiển thích nghi Trong ngơn ngữ hàng ngày, "thích nghi" có nghĩa thay đổi hành vi để phù hợp với hoàn cảnh Về mặt khái niệm, điều khiển thích nghi điều khiển sửa đổi hành vi để đáp ứng với thay đổi động lực học trình tính chất xáo trộn Nó đề xuất hội nghị chuyên đề vào năm 1961: "Một hệ thống thích ứng hệ thống vật lý thiết kế với quan điểm thích ứng" Một điều khiển thích ứng định nghĩa điều khiển với thơng số điều chỉnh chế để điều chỉnh thông số Lý điều khiển thích nghi cần thiết thơng số liên tục điều khiển cung cấp hiệu suất tốt điều kiện điều kiện khác, hiệu suất giảm thay đổi đáng kể chất hệ thống Trong trường hợp này, điều khiển thích nghi cung cấp giải pháp Đơi khi, sử dụng để tránh khó khăn việc điều chỉnh Các sơ đồ thích ứng điển hình ứng dụng sau Các ý tưởng ba kỹ thuật đầu tiên, sử dụng building process control, giới thiệu • Auto- tuning • Gain scheduling • Self- tuning regulator • Model- reference adaptive system • Stochastic adaptive control 7.8.1 Auto- tuning Một số chương trình làm việc thích nghi u cầu thơng tin tiên nghiệm động lực học trình Đối với người dùng, lý tưởng để có chức tự động điều chỉnh điều khiển điều chỉnh đơn giản cách nhấn nút Các kỹ thuật tự động điều chỉnh phát triển cho mục đích Một số nhà sản xuất buộc phải giới thiệu chế độ tiền điều chỉnh để giúp thu thập thông tin cần thiết trước Auto-tuning điều khiển PID ứng dụng cơng nghiệp điển hình auto-tuning Tầm quan trọng thông tin tiên nghiệm xuất liên quan đến nỗ lực phát triển kỹ thuật để tự động điều chỉnh thuật toán PID đơn giản Các điều khiển tự chỉnh vậy, trạm điều khiển tiêu chuẩn cho tự động hóa cơng nghiệp tịa nhà, sử dụng để điều khiển hệ thống với nhiều số thời gian Mặc dù chương trình làm việc thích nghi thông thường dường công cụ lý tưởng để cung cấp giải pháp điều chỉnh tự động, chúng nhận thấy khơng đầy đủ chúng địi hỏi kiến thức giai đoạn Do đó, kỹ thuật đặc biệt để tự động điều chỉnh điều khiển đơn giản phát triển Những kỹ thuật hữu ích để phục vụ điều chỉnh trước hệ thống thích ứng phức tạp Một nhìn tổng quan điều khiển PID công nghiệp với auto-tuing đưa Một số cách để thực auto-tuning đề xuất Phương pháp phổ biến tiến hành thử nghiệm đơn giản q trình Thử nghiệm thực vòng lặp hở vòng kín mơ tả Phần 7.6 Trong thử nghiệm vịng hở, đầu vào q trình bị kích thích xung vài bước Một mơ hình q trình đơn giản, ví dụ khâu dao động bậc hai, sau ước tính cách sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu số phương pháp ước tính đệ quy khác Nếu mơ hình q trình giao động bậc hai ước tính, điều khiển PID sử dụng để thực gán điểm cực Hình 7.15 Sơ đồ khái niệm tự động điều chỉnh rơle Tốc độ hệ số tắt dần hệ thống thông số thiết kế Một phương pháp thiết kế phổ biến điều khiển điểm không cho chúng hủy bỏ hai điểm cực trình Điều mang lại cho hệ thống có phản ứng tốt trường hợp điểm đặt thay đổi, phản ứng với nhiễu tải xác định động lực vòng hở Phương pháp phản hồi tức để điều chỉnh tự động điều khiển PID sử dụng sản phẩm thị trường Nó sử dụng để điều chỉnh trước điều khiển thích nghi số sản phẩm Các thí nghiệm điều chỉnh thực vịng lặp khép kín Một ví dụ điển hình điều phương pháp tự dao động Ziegler Nichols biến thể Bộ điều chỉnh rơle dựa tự dao động sử dụng số sản phẩm Trong điều chỉnh này, việc điều chỉnh bắt đầu đơn giản cách nhấn nút điều chỉnh Một lợi việc thực thử nghiệm vòng khép kín đầu q trình giữ giới hạn hợp lý, điều gây khó khăn cho q trình với nhà tích hợp thí nghiệm thực vịng hở Chức auto-tuning thường tính tích hợp điều khiển PID độc lập tiêu chuẩn Auto-tuning thực cách sử dụng thiết bị bên Bộ điều chỉnh sau kết nối với q trình thực thử nghiệm, thường vòng lặp hở Bộ điều chỉnh sau đề xuất cài đặt tham số, đưa vào điều khiển PID tay tự động Vì điều chỉnh bên ngồi phải có khả làm việc với điều khiển PID từ nhà sản xuất khác nhau, điều quan trọng điều chỉnh phải có thơng tin chi tiết việc thực thuật toán PID trường hợp cụ thể Một phương pháp khác để auto-tuning sử dụng hệ thống chuyên để điều chỉnh điều khiển Điều thực trình hoạt động bình thường trình Hệ thống chờ đợi thay đổi điểm đặt rối loạn tải lớn sau đánh giá hiệu suất hệ thống vịng kín Các tính chất hệ số tắt dần, thời gian dao động hệ số khuếc đại (static gain) ước tính Các thơng số điều khiển sau thay đổi theo quy tắc tích hợp, mơ hành vi kỹ sư điều khiển có kinh nghiệm Ziegler Nichols nghĩ phương pháp heuristic đơn giản để xác định thông số điều khiển PID dựa lợi critical gain and the critical period Các hệ thống có hệ số tắt dần tốt thu cách sử dụng mối tương quan thực nghiệm sửa đổi thu nhiều người khác Một phương pháp sửa đổi loại lý tưởng, phù hợp để xác định Kp Ti, phương pháp chuyển tiếp Điều cung cấp rơ le auto-tuner thể Hình 7.15 Khi cần điều chỉnh, công tắc đặt thành T, có nghĩa phản hồi rơ le kích hoạt điều khiển PID bị ngắt kết nối Khi chu kỳ giới hạn ổn định thiết lập, tham số PID tính tốn điều khiển PID sau kết nối với trình Đương nhiên, phương pháp khơng hoạt động cho số hệ thống Đầu tiên, khơng có dao động chu kỳ giới hạn cho hàm truyền tùy ý Thứ hai, điều khiển PID không phù hợp với tất trình Theo kinh nghiệm, Rơ le auto-tuning hoạt động tốt lớp lớn hệ thống gặp phải trình điều khiển 7.8.2 Gain scheduling ... đầu tiên, sử dụng building process control, giới thiệu • Auto- tuning • Gain scheduling • Self- tuning regulator • Model- reference adaptive system • Stochastic adaptive control 7.8.1 Auto- tuning... (Dterm+Dterm0)/2.0 Dterm = MAX(-25.0,MIN(25.0,Dterm)) ENDIF C Controller output PID = Pterm+Iterm+Dterm PID = MIN(100.0,MAX(0.0 ,PID) ) C Update previous integral and derivative actions Iterm0 = Iterm Dterm0 =... đặt tên điều khiển PID song song lý tưởng (7–11) điều khiển PID tương tác (7–12) Trong thực tế, cần ý đến dạng thuật toán PID sử dụng để điều chỉnh điều khiển thực tế điều khiển PID dạng khác khác