Bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển là xây dựng một hệ thống điều khiển (bao gồm các khâu động học liên kết theo sơ đồ nguyên lý nhất định) với các tham số của nó sao cho các chỉ số chất lượng của hệ thống nằm trong phạm vi đã định.
t t ( t ) ( t ) 2 ( t ) 2 ( t )
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 55
Cấu trúc sơ bộ của hệ thống thường chọn là hệ một vòng đơn giản, bao gồm một đối tượng và một bộ điều chỉnh. Theo kết quả đánh giá chất lượng hệ tạo thành, nếu cần tăng cường tính ổn định của hệ thống và/hoặc cần triệt giảm ảnh hưởng của nhiễu quá trình một cách hiệu quả hơn, có thể thiết lập vòng điều chỉnh bổ sung tác động nhanh hơn. Điều đó dẫn đến cấu trúc nhiều vòng của hệ thống. Trong thực tế, các hệ thống điều khiển một đầu ra thường có một vòng hoặc nhiều vòng lồng nhau, có tên gọi chung là hệ điều khiển tầng (CASCAD).
Nếu tồn tại nhiễu ngoài đáng kể và có thể đo được, thì để triệt giảm ảnh hưởng của nó có thể thiết lập các kênh khử song song. Khí đó, ta đi đến hệ thống điều khiển hỗn hợp, thực hiện đồng thời nguyên lý điều khiển theo sai lệch (có vòng kín) và nguyên lý điều khiển theo nhiễu.
Bộ điều chỉnh là khâu nằm trên một vòng kín nào đó nên có thể làm thay đổi tính chất ổn định của hệ thống và có ảnh hưởng quyết định đến các chỉ số chất lượng điều chỉnh. Còn các bộ khử nhiễu thì nằm ngoài các vòng kín nên không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống mà chỉ áp dụng để làm giảm ảnh hưởng của nhiễu.
Như vậy nên bài toán tổng hợp hệ thống thường được phân rã thành bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh và bài toán tổng hợp bộ khử, tương đối độc lập lẫn nhau. Bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh có độ phức tạp hơn hẳn so với bài toán tổng hợp bộ khử vì khi tìm bộ điều chỉnh để cải thiện chỉ số chất lượng nào đó luôn luôn phải tính đến điều kiện dự trữ ổn định hệ thống mà điều kiện này không tồn tại trong bài toán tổng hợp bộ khử. Việc hình thức hóa toán học điều kiện dự trữ ổn định hệ thống xưa nay vẫn là vấn đề phức tạp nhất trong quá trình tổng hợp hệ thống.
Vấn đề đảm bảo dự trữ ổn định thường đặt ra để đảm bảo sự ổn định của hê thống cả trong trường hợp mà mô hình các phần tử có thể không hoàn toàn chính xác và do sự xấp xỉ trong các kết quả tính toán. Mặt khác, điều kiện dự trữ ổn định có ý nghĩa đặc biệt quan trọng để đảm bảo hệ thống luôn luôn ổn định, khi đặc tính của đối tượng tự thay đổi một cách bất định trong quá trình làm việc. Sự đảm bảo dự trữ ổn định của hệ thống trong mọi trường hợp biến thiên đặc tính đối tượng trong phạm vi nhất định gọi là điều kiên ổn định bền vững.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 56
Các chỉ số chất lượng quan trọng của hệ thống điều khiển là thời gian điều chỉnh (độ tác động nhanh), độ quá điều chỉnh, sai số xác lập, tích phân sai số điều chỉnh, v.v… Tùy theo tính chất của quá trình công nghệ mà chỉ số này hay chỉ số khác được coi là quan trọng nhất. Trong số đó, chỉ tiêu tích phân sai số bình phương phản ánh đúng đắn và bao quát hơn cả độ chính xác điều chỉnh. Mặt khác, nó cho phép áp dụng dễ dàng và hiệu quả, đặc biệt trong vùng tần số, nên được sử dụng rất phổ biến trong các bài toán tổng hợp hệ thống.
Bộ điều chỉnh bền vững sao cho đảm bảo đồng thời hai yêu cầu cơ bản về chất lượng hoạt động của hệ thống, như sau:
Đại lượng điều chỉnh đầu ra càng bám sát tín hiệu đặt đầu vào càng tốt, đồng thời triệt giảm tối đa sự ảnh hưởng của tác động nhiễu.
Hệ thống phải có độ ổn định cao nhất, tức có dự phòng ổn định tối đa để lường trước mọi sự thay đổi bất định của đặc tính đối tượng.
Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển điển hình.
Các ký hiệu trên hình 3.5 bao gồm:
z – giá trị đặt - mục tiêu điều khiển
– tác động nhiễu qui dẫn tới đầu ra của đối tượng;
y – đại lượng điều chỉnh đầu ra;
Z(s), (s), Y(s) – lần lượt là ảnh Laplace của các tín hiệu: z, và y;
O(s), R(s) – các hàm truyền của đối tượng O và bộ điều chỉnh R;
H(s)=R(s)O(s) – hàm truyền vòng, tức hàm truyền của hệ hở (khi cắt liên hệ nghịch);
W(s)=H(s)/[1+H(s)] – hàm truyền của hệ kín theo kênh đặt zy.
Bài toán tổng hợp nói chung có thể phát biểu như sau: Giả sử đối tượng điều khiển thay đổi không rõ ràng, các nhiễu tác động lên hệ thống là tuỳ ý. Hãy xác định bộ điều chỉnh sao cho hệ thống có dự trữ ổn định lớn nhất, đồng thời có độ sai lệch điều chỉnh nhỏ nhất. y R z О
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử HVTH: Lê Văn Hùng 57 j sk sk+ 1 s i s3 s4 s1 s2 0 si+1 i i i i A B