3.1.1. Sách lược điều khiển truyền thẳng
Tư tưởng của điều khiển truyền thẳng
Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển truyền thẳng
Ta thấy giá trị biến điều khiển được tính toán thông qua các biến nhiễu. Nếu như nhiễu đo được với đáp ứng của đối tượng với đầu vào cũng như nhiễu đã biết trước, bộ điều khiển chỉ cần thực hiện thuật toán bù sao cho giá trị biến cần điều khiển bằng đúng giá trị mong muốn(giá trị đặt ).
30
Đặc điểm cơ bản của bộ điều khiển truyền thẳng là số biến nhiễu quá trình được đo và đưa đến bộ điều khiển. Dựa vào các giá trị đo được cùng với giá trị đặt bộ điều khiển sẽ tính toán đưa ra giá trị cho biến điều khiển mà không cần phải đo giá trị đầu ra.
Đo nhiễu quá trình d, tính toán u sao cho y ≈ r mà không cần đo y
u=Kr(s)(r – Gd(s)d) (3.1) Ta thấy bộ điều khiển truyền thẳng đã loại bỏ được nhiễu trước khi nhiễu làm ảnh hưởng xấu đến quá trình.
Ưu điểm của điều khiển truyền thẳng - Đơn giản
- Tác động nhanh.
Nhược điểm của điều khiển truyền thẳng : - Phải đặt thiết bị đo nhiễu.
- Với những loại nhiễu không đo được thì không loại trừ được.
- Bộ điều khiển truyền thẳng khá nhạy cảm với sai lệch mô hình. Nó không làm giảm ảnh hưởng của sai lệch mô hình đối tượng cũng như sai lệch nhiễu đến chất lượng điều khiển.
- Không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định.
- Bộ điều khiển lý tưởng có thể không ổn định được hoặc không thực hiện được.
Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng: Mặc dù có nhiều nhược điểm nhưng điều khiển truyền thẳng vẫn được sử dụng rộng rãi vì có tác động nhanh, cho phép loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của nhiễu cũng như không để nhiễu tác động xấu đến quá trình điều khiển. Nó rất thích hợp với các bài toán đơn giản, yêu cầu chất lượng điều khiển không cao. Thông thường điều khiển truyền thẳng thường sử dụng kết hợp với điều khiển phản hồi để cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ kín : Bù nhiễu đo được (chủ yếu là bù tĩnh), lọc trước tín hiệu chủ đạo.
31
3.1.2. Sách lược điều khiển tầng
Đây là hệ điều khiển có khả năng loại bỏ nhiễu cấu trúc, nó được ứng dụng để điều khiển các công đoạn trong sản xuất công nghiệp. Các công đoạn cần thiết phải điều chỉnh đồng thời các tham số như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm,…. Trong từng giai đoạn tạo thành sản phẩm thường chọn biến quá trình quyết định tới chất lượng sản phẩm. Biến quá trình chính thường bị ảnh hưởng bởi các biến quá trình phụ (được coi là nhiễu). Cấu trúc điều khiển tầng nhằm loải bỏ các nhiễu ảnh hưởng lên biến quá trình chính.
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tầng
Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển tầng
Trong cấu trúc, ta thấy có 2 nhiễu trong đó giá trị nhiễu 1 ảnh hưởng trực tiếp đến biến quá trình chính, giá trị nhiễu 2 không loại trừ được nên không xét đến ( thông thường xuất hiện trong các công đoạn cuối của chu trình).
Cấu trúc phân tầng yêu cầu phải biết biến quá trình phụ (vòng trong). Yêu cầu của biến quá trình phụ là phải đo được bằng sensor, phần tử điều khiển cuối cùng được sử dụng để điều khiển quá trình chính cũng phải điều khiển biến quá trình phụ. Các nhiễu ảnh hưởng đến biến quá trình chính cũng phải ảnh hưởng đến các biến quá trình phụ.
Biến quá trình phụ phải nằm trong biến cơ sở trong cấu trúc điều khiển. Vòng điều khiển phụ là một cấu trúc phản hối truyền thống
32 Trong điều khiển tầng ta cần chú ý:
- Bắt đầu cả hai bộ điều khiển chính và bộ điều khiển phụ phải được điều khiển bằng tay.
- Chọn bộ điều khiển tỷ lệ cho vòng lặp trong ( chính) hoạt động theo nguyên tắc tích phân để tăng thời gian ổn định và điều khiển bù hiệu quả không cao đối với biến quá trình.
- Bộ điều khiển tỷ lệ phụ sử dụng giá trị điểm đặt chuẩn, nhiệm vụ chính của nó là phản hồi lại lệnh điểm đặt từ bộ điều khiển sơ cấp. Kiểm tra để chắc chắn thực hiện từ điểm đặt.
- Để bộ điều khiển phụ tự động, nó trở thành một phần của quá trình chính. Chọn bộ điều khiển với hoạt động kết hợp cho mạch vòng sơ cấp ( thường sử dụng bộ điều khiển PI hoặc PID). Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế lọc bỏ nhiễu như là một công việc chính của bộ điều khiển sơ cấp.
Với hai bộ điều khiển hoạt động tự động, việc điều khiển tầng đã hoàn thành.
3.1.3. Sách lược điều khiển phản hồi
Điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc đo liên tục biến được điều khiển rồi cho phản hồi thông tin lại cho bộ điều khiển để tính toán lại các giá trị của biến điều khiển dựa trên giá trị sai lệch của giá trị đặt và giá trị đo được phản hồi về.
Một vấn đề rất quan trọng của người thiết kế khi sử dụng sách lược điều khiển phản hồi là phải xác định được chiều tác động :
- Tác động thuận : Đầu ra của bộ điều khiển tăng khi khi biến được điều khiển tăng và ngược lại.
- Tác động nghịch : Đầu ra của bộ điều khiển tăng khi khi biến được điều khiển giảm và ngược lại.
Sự lựa chọn của chiều tác động phụ thuộc vào : Đặc điểm của quá trình ( quan hệ của biến được điều khiển và biến điều khiển ), kiểu tác động của van điều khiển ( chiều van điều khiển )
33
Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển phản hồi 1.
Cấu hình trên đáp ứng với giá trị đặt và đáp ứng với nhiễu có rằng buộc với nhau, vì vậy không thể thiết kế bộ điều khiển độc lập hoàn toàn theo mong muốn
Cấu hình thứ hai của điều khiển phản hồi
Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển phản hồi 2.
Cấu hình trên đã cải thiện đáp ứng với việc thay đổi giá trị đặt bằng việc thiết kế thêm bộ điều khiển Kr(s)
Vai trò của điều khiển phản hồi
34
- Khi nhiễu không đo được hoặc nhiễu bất định có thể được triệt tiêu nhờ nguyên lý điều khiển phản hồi
- Mô hình đối tượng không chính xác, nên việc hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển chỉ có thể thông qua việc quan sát diễn biến đầu ra.
Nhược điểm của sách lược điều khiển phản hồi
- Một vòng điều khiển kín chứa một đối tượng không ổn định cũng có thể trở nên mất ổn đinh.
- Để có chất lượng phản hồi tốt thì phép đo các đại lượng phản hồi phải đạt được độ chính xác cần thiết. Vì vậy bắt buộc phải bổ xung các cảm biến đo. Thêm nữa sai số của các phép đo lớn thì chất lượng điều khiển cũng không đảm bảo nếu không có các thuật toán lọc nhiễu xác định.
- Rất khó có thể có xây dựng được một bộ điều khiển phản hồi nếu không xây dựng được mô hình chính xác với quá trình.
- Bộ điều khiển phản hồi đáp ứng chậm với nhiễu tải và khi thay đổi giá trị đặt.
3.1.4. Sách lược điều khiển tỉ lệ
Sách lược điều khiển tỉ lệ thực chất là việc duy trì tỉ lệ giữa hai biến để điều khiển gián tiếp một biến thứ ba. Thực chất đây là một dạng điều khiển truyền thẳng. Sách lược điều khiển tỉ lệ được áp dụng rất nhiều trong các bài toán khác nhau.
Điều khiển tỉ lệ là trường hợp đặc biệt của điều khiển truyền thẳng với các nhiễu đo được và bù theo nguyên tắc tỉ lệ. Quan hệ giữa biến cần điều khiển và biến điều khiển thường là quan hệ tuyến tính. Điều khiển tỉ lệ giúp cho việc thiết kế cấu trúc điều khiển đơn biến cho quá trình đa biến được đơn giản hơn, giảm tối thiểu sự tương quan chéo giữa các vòng điều khiển. Thông thường ta thường kết bộ điều khiển tỉ lệ và điều khiển phản hồi. Kết quá là giác trị đặt tỉ lệ được tính toán và điều chỉnh thường xuyên bởi một bộ điều chỉnh phản hồi.
3.2. Điều khiển đa biến
Một hệ đa biến bao gồm nhiều biến vào, biến ra. Như vậy một cấu hình điều khiển đa biến là phải giải quyết được rất nhiều bài toán tương tác giữa các vòng điều khiển. Trên thực tế có hai phương pháp thực hiện là loại bỏ qua các quan hệ
35
tương tác hoặc tìm cách triệt tiêu sự tương tác giữa các vòng điều khiển bằng các khâu bù tách kênh. Nếu bỏ qua các quan hệ tương tác giữa các vòng điều khiển, ta bắt buộc phải xác định được các cặp biến vào ra có quan hệ lấn áp, đưa bài toán điều khiển đa biến thành các bài toán điều khiển đơn biến, đây là phương pháp điều khiển phi tập trung. Còn không bắt buộc ta phải xây dựng được các khâu tách kênh dựa trên hiểu biết về quá trình hoặc thông thường ta dựa vào các tính toán trên mô hình toán học.
Cấu hình đa biến có nhiều ưu điểm như sau :
- Loại bỏ được một số biến trung gian ( nhiễu tải ) mà đáng nhẽ phải có trong quá trình đơn biến.
- Quan hệ tương tác giữa các biến quá trình được thể hiện trong mô hình thiết kế. Vì thế ta không cần quan tâm đến cặp đôi tín hiệu vào ra cũng như thiết kế các khâu tách kênh.
Trong thực tế, có hai giải pháp để xây dựng bộ điều khiển đa biến. Giải pháp thứ nhất là chỉ sử dụng một bộ điều khiển duy nhất (bộ điều khiển tập trung). Giải pháp thứ hai là sử dụng nhiều bộ điều khiển đơn ( bộ điều khiển không tập trung ). Sau đây ta sẽ lần lượt nghiên cứu hai giải pháp trên.
3.2.1. Bộ điều khiển tập trung.
Như ta đã nói ở trên, ta sẽ giải quyết quá trình đa biến chỉ bằng một bộ điều khiển duy nhất. Đầu vào của bộ điều khiển bao gồm các giá trị đặt và các tín hiệu đo được ( bao gồm cả các nhiễu ) , đầu ra của bộ điều khiển là các tín hiệu điều khiển. Dưới đây là cấu trúc điều khiển đa biến tập trung
36
Hình 3.5. Cấu trúc bộ điều khiển đa biến tập trung.
Ưu điểm của bộ điều khiển tập trung :
Ưu điểm của bộ điều khiển đa biến tập trung là sự tương tác giữa các biến quá trình đã được quan tâm trong phương pháp thiết kế bộ điều khiển, loại bỏ các biến trung gian mà bình thường là nhiễu trong cấu trúc bộ điều khiển phi tập trung. Tuy nhiên bộ điều khiển tập trung còn có nhiều hạn chế. Thứ nhất là công việc xây dựng mô hình thường rất phức tạp và tốn nhiều thời gian, đồng thời mô hình quá trình yêu cầu phải tương đối chính xác. Thứ hai độ tin cậy và chất lượng điều khiển không cao bởi vì không những nó phụ thuộc vào một bộ điều khiển duy nhất và còn phụ thuộc vào tính sẵn sàng của tất cả các tín hiệu đo và tín hiệu điều khiển. Nếu trong quá trình thiết kế bộ điều khiển tập trung có sự cố hoặc nếu bất cứ tín hiệu truyền nào bị gián đoạn ( ví dụ tín hiệu phản hồi, nhiễu,...) thì tính toàn vẹn của cấu trúc điều khiển tập trung bị phá vỡ, độ tin cậy và chất lượng điều khiển của bộ điều khiển tập trung toàn hệ thống cũng không được đảm bảo. Thứ ba, do gộp tất cả các sách lược điều khiển vào một bộ điều khiển duy nhất nên ta khó có thể tận dụng triệt để các yếu tố đặc thù của quá trình công nghệ. Mỗi vòng điều khiển đơn cũng có đặc điểm riêng và yêu cầu riêng về chất lượng điều khiển mà không đơn giản để
37
đưa chúng vào chung một bộ điều khiển tổng. Thứ tư bộ điều khiển đa biến tập trung thực hiện trên nền tính toán số, cơ sở tính toán cho bộ điều khiển tập trung đa số dựa trên một chu kỳ chích mẫu cố định, trong khi đó các biến quá trình lại có sự thay đổi trạng thái nhanh chậm khác nhau, chính vì vậy ta bắt buộc phải chọn chu kỳ chích mẫu nhỏ nhất ứng với vòng điều khiển nhanh nhất, dẫn đến tình trạng phải tăng số lượng tính toán lên trong một khoảng thời gian ngắn mà chưa chắc đã hiệu quả và có chất lượng tốt hơn các vòng điều khiển chậm hơn. Và nhược điểm cuối cùng của bộ điều khiển tập trung là sau khi đã thiết kế được bộ điều khiển, công việc hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển là cực kỳ khó khăn, bởi vì quan hệ giữa các tham số của bộ điều khiển để đạt được một chỉ tiêu chất lượng nào đó là không hề hiển nhiên. Vì vậy khi ta muốn cải thiện chất lượng điều khiển theo một tiêu chí nào khác ( khi thiết kế bộ điều khiển) thì bắt buộc phải thiết kế lại toàn bộ bộ điều khiển, thậm chí phải xây dựng lại mô hình tính toán.
Một ví dụ cho bộ điều khiển tập trung là phương pháp điều khiển dự đoán sử dụng ma trận DMC
Hệ điều khiển ma trận DMC
Điều khiển đa biến phổ biến nhất là điều khiển mở rộng của điều khiển ma trận động. Chúng ta phát triển DMC từ hệ vòng đơn và dùng máy tính để giải quyết tính toán trực tiếp bình phương nhỏ nhất giá trị tiên đoán của biến điều khiển được cực tiểu. Phương pháp có thể mở rộng cho trường hợp nhiều biến. Có thể mở rộng ma trận A thành các ma trận độc lập có quan hệ với tất cả các đầu vào và đầu ra. Thông số thực hiện có thể mở rộng bao gồm sai lệch trong tất cả các biến được điều khiển cộng với gia trọng di chuyển trong tất cả các biến điều khiển.
Phương pháp DMC sử dụng toán thống kê và chuẩn bình phương nhỏ nhất để xác định giá trị tốt nhất của tham số. Trong phương pháp DMC ta có NP điểm đáp ứng đầu ra tương lai kết hợp với một vài đường cong tối ưu bằng cách tìm ra giá trị tốt nhất của NC thay đổi về sau trong biến điều khiển.
38
Hình 3.6. Cấu trúc hệ điều khiển ma trận DMC.
Đó là cơ sở của vấn đề bình phương nhỏ nhất, điều chỉnh dữ liệu NP với hệ số NC.
Giả sử ta có NP dữ liệu điểm là giá trị của biến đo được x với giá trị coi như đã biết của hai biến a1 và a2. Ta muốn giá trị của hai tham số m1 và m2 trong công thức
x(a1,a2)=(m1)a1 + (m2)a2 (3.2)
Thích hợp điểm dữ liệu nhất giá trị của x được tính từ công thức x. Chỉ số hiệu suất là tổng bình phương sự khác biệt giữa NP điểm dữ liệu thực tế x1 và giá trị được tính toán từ công thức xi
(xi)=m1a1 + m2a2 (3.3) 2 1 ( ) NP i i i J x x (3.4) Tại mỗi điể dữ liệu NP, giá trị của x, a1, a2 đã biết. Vì vậy ta phải tìm các giá trị của m1 và m2 để thõa mãn công thức (3.2)
Thế (3.3) vào (3.4) và lấy vi phân từng phần với hai giá trị tham số chưa biết là m1 và m2 sau đó đặt phương trình vi phân bằng 0 ta có :
2 2 1 1 2 2 1 1 ( ) ( ) NP NP i i i i i i i J x x x m a m a D(s) m(s) E(s) Xsp(s) GC(s) GP(s) GD(s) Gm(s) X(s) Em(s) + + - +
39 1 1 2 2 1 1 1 2 ( )( ) 0 NP i i i i i J x m a m a a m 1 1 2 2 2 1 2 2 ( )( ) 0 NP i i i i i J x m a m a a m Hay 2 1 1 2 1 2 1 1 1 1 ( ) ( ) ( ) NP NP NP i i i i i i i i m a m a a x a 2 2 1 1 2 2 1 1 1 1 1 ( ) ( ) ( ) NP NP NP i i i i i i i i m a a m a x a
Hai công thức trên có thể viết lại là :
A AmT A xT (3.5) Trong đó : 11 12 21 22 ,1 ,2 ... ... NP NP a a a a A a a 1 2 ... NP x x x x 1 2 m m m