3.2.1 Sách lược điều khiển truyền thẳng 3.2.1.1 Khái niệm & cấu trúc cơ bản
- Giá trị biến điều khiển được tính tốn dựa vào các biến nhiễu, vì thế sách lược
điều khiển này cịn gọi là sách lược bù nhiễu.
- Cấu trúc cơ bản của điều khiển truyền thẳng được minh họa trên Hình 3.1. Đặc
điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là số biến nhiễu quá trình được đo và được
đưa tới bộđiều khiển. Dựa trên các giá trịđo được và giá trị đặt cho bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ tính tốn và đưa ra giá trị cho biến điều khiển. Nếu đặc tính đáp
ứng của quá trình với biến điều khiển cũng như với nhiễu biết trước, bộ điều khiển cĩ thể thực hiện thuật tốn bù trước sao cho giá trị biến điều khiển đúng bằng giá trị đặt.
Hình 3-1: Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng
Hình 3-2: Cấu hình song song của điều khiển truyền thẳng
Quá trình Bộđiều khiển truyền thẳng Nhiễu quá trình Biến cần điều khiển Biến điều khiển Giá trịđặt K Kd G Gd + + + + y d r Bộđiều khiể Quá trình
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
3.2.1.2 Các tính chất của điều khiển truyền thẳng
* Ưu Điểm:
- Bộ điều khiển truyền thẳng cĩ khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nĩ kịp ảnh hưởng xấu đến quá trình.
* Nhược điểm.
- Bộ điều khiển truyền thẳng khá nhạy cảm với sai lệch mơ hình. Nĩ khơng cĩ khả năng làm giảm ảnh hưởng của sai lệch mơ hình đối tượng cũng như sai lệch mơ hình nhiễu tới chất lượng điều khiển.
- Chịu ảnh hưởng của nhiễu khơng đo được, sai lệch điều khiển sẽ vẫn tồn tại ngay cả khi bộ điều khiển truyền thẳng vẫn hoạt động tốt.
- Bộ điều khiển truyền thẳng khơng cĩ khả năng ổn định một quá trình khơng
ổn định. Ngay cả khi tồn tại bộ điều khiển lý tưởng với hàm truyền đạt G-1(s) khả thi thì cũng chỉ cĩ tác dụng triệt tiêu điểm cực khơng ổn định của G(s) nhưng khơng đảm bảo được tính ổn định nội của hệ thống. Chỉ cần nhiễu đầu vào du rất nhỏ cũng đủ làm đáp ứng đầu ra tiến tới vơ cùng.
y= G(u + du) + Gdd = Gdu (3.1)
3.2.1.3 Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng
Mặc dù cĩ nhiều nhược điểm như đưa ra ở trên, sách lược điều khiển truyền thẳng vẫn được sử dụng rộng rãi bởi vì điều khiển truyền thẳng tác động nhanh, cho phép loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của nhiễu đo được trước khi nhiễu này kịp tác động xấu
đến hệ thống, cũng như giúp hệ thống đáp ứng nhanh với giá trị đặt thay đổi. Bên cạnh đĩ, điều khiển truyền thẳng tuy khơng cĩ khả năng ổn định một quá trình khơng ổn định nhưng nĩ khơng làm mất tính ổn định của một quá trình ổn định, chính vì thế điều khiển truyền thẳng thường được sử dụng kết hợp với điều khiển phản hồi hay điều khiển tỉ lệ.
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Nhiễu trong hệ thống cung cấp hơi cĩ thể bị khử ngay giai đoạn ban đầu bởi bộđiều khiển phụ. Bộ điều khiển này được lọc bởi bộ điều khiển chính nhằm điều khiển nhiệt độ của buồng đốt. Bộ điều khiển nhiệt độ cho buồng đốt cĩ đặc tính động học chậm. Thơng qua việc sử dụng cấu trúc điều khiển nối tầng nhiễu sẽ bị loại bỏ. Khơng cĩ cấu trúc này, nhiệt độ buồng đốt đầu tiên phải thay đổi trước khi tác động
điều khiển được thực hiện.
Áp dụng sách lược điều khiển truyền thẳng: nếu nhiễu cĩ thể đo thay đổi lớn và quá trình xảy ra chậm, bộđiều khiển phản hồi khơng cĩ tác dụng trong trường hợp này. Nên phải sử dụng tác động dự báo hay là điều khiển truyền thẳng. Hình 3.3 chỉ ra sơ đồ khối thơng tin tổng quát.
Hình 3-3: Sơđồ thơng tin trong điều khiển truyền thẳng.
Một tín hiệu nhiễu trong biến được điều khiển dẫn đến nhiễu đĩ được bù cách đầy
đủ nếu hàm truyền dọc theo 2 đường dẫn cĩ khả năng nhận dạng nĩ:
G1+G2G3 = 0 (3.2)
Do đĩ hàm truyền của bộ điều khiển kiểm sốt tất cả các tình trạng hoạt động sẽ được mơ tả bởi phương trình:
G3 = G1/G2 (3.3)
Đơi khi yêu cầu kiểm tra các quá trình mở rộng và trong một vài trường hợp khơng thể thực hiện được. Ví dụ, nếu G1 chứa thời gian trễ và G2 cũng thế, G3 cĩ thể chứa một thời gian trễ âm.
Ví dụ, giả sử một quá trình cĩ hàm truyền như sau:
Nhiễu Quá trình
Biến được điều khiển
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học 1 10 0 , 1 5 1 = + − s e G s và 1 8 5 , 0 3 2 = + − s e G s Thì bộđiều khiển truyền thẳng là: 1 10 1 8 2 2 + + = − s s e G s FF 3.2.2 Sách lược điều khiển phản hồi
Điều khiển phản hồi là một phương pháp điều khiển nền tảng trong lý thuyết điều khiển tự động, nĩ dựa trên nguyên tắc đo liên tục giá trị biến được điều khiển và phản hồi thơng tin về bộ điều khiển để tính tốn lại giá trị của biến điều khiển dựa trên giá trị sai lệch giữa biến nhận được và giá trịđặt (giá trị mong muốn) của cơng nghệ. Trong thực tế cho thấy điều khiển phản hồi thường liên kết với các sách lược
điều khiển khác như điều khiển truyền thẳng hay nối kết tầng, ... để cĩ được cấu hình điều khiển đạt những tiêu chí như mong muốn của người thiết kế cấu trúc điều khiển.
3.2.2.1 Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi
Hình 3-4: Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi
Trong đĩ:
r tín hiệu đặt, giá trịđặt G mơ hình đối tượng y tín hiệu ra được điều khiển Gd mơ hình nhiễu u tín hiệu điều khiển K khâu điều chỉnh d nhiễu quá trình (khơng đo được) P khâu lọc trước
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
n nhiễu đo ym tín hiệu phản hồi
em Sai lệch điều khiển quan sát được.
Với cấu trúc điều khiển như trong hình 3.4, bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển dựa trên sai lệch giữa giá trị thu được của biến được điều khiển với giá trị đặt. Nếu bộđiều khiển sử dụng thuật tốn điều khiển PID thì luật tỉ lệ trong thuật tốn đưa ra giá trị biến điều khiển tỉ lệ với sai lệch điều khiển, luật tích phân dựa trên giá trị tích phân và luật vi phân dựa trên đạo hàm của sai lệch điều khiển. Bộ điều khiển chỉ
tính tốn đầu ra của nĩ dựa vào sai lệch mà khơng phân biệt được sai lệch đĩ là do nhiễu quá trình hay do thay đổi giá trịđặt gây ra.
3.2.2.2 Vai trị của điều khiển phản hồi
Điều khiển phản hồi là sách lược điều khiển cơ bản nhất, khơng thể thiếu trong hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình với 3 lý do cơ bản sau:
• Một quá trình khơng ổn định chỉ cĩ thể ổn định (hố) bằng điều khiển phản hồi nhằm dịch các điểm cực sang nửa bên trái mặt phẳng phức.
• Khi nhiễu khơng đo được hoặc mơ hình nhiễu bất định thì ảnh hưởng của nĩ chỉ cĩ thể triệt tiêu nhờ nguyên lý phản hồi.
• Mơ hình đối tượng khơng chính xác, do vậy việc hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển chỉ cĩ thể thơng qua quan sát diễn biến đầu ra.
Xét ví dụ bình chứa như (hình 3.5)
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Ta biết rằng, quá trình mức là một khâu tích phân, mơ hình của nĩ thể hiện qua phương trình vi phân dưới đây:
) ( 1 0 F F A dt dh i − = (3.4) Đặt các biến chênh lệch chuẩn hố: max _ / ) (h h h y = − ; u =(Fi −F_i)/Fmax và d =(F0 −F_)/Fmax
Bỏ qua động học của thiết bị đo mức và của van điều khiển, ta cĩ các hàm truyền
đạt: ) ( ) ( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( s G s d s y s G s s u s y s G d = =− = = τ (3.5)
Trong đĩ hằng số thời gian τ = Ahmax /Fmax. Với A = 1 m2 , hmax = 1m và Fmax = 1 l/s thì ta cĩ: τ =1000s.
Quá trình mức cĩ thểđược ổn định bằng một bộđiều khiển P đơn giản:
) (r y K
u= c − với mỗi hệ số khuyếch đại Kc > 0.
Thật vậy, đa thức đặc tính cũa hệ kín xác định theo (3.10) là (kc +τs) chỉ cĩ một nghiệm âm khi kc >0. Như thế bộ điều khiển phản hồi đã dịch điểm cực từ s = 0 sang bên trái trục ảo làm làm cho hệ thống ổn định.
3.2.2.3 Các vấn đề của điều khiển phản hồi
Với những ưu điểm như đã trình bày, điều khiển phản hồi khơng phải khơng cĩ những hạn chế của nĩ. Đầu tiên, ổn định hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển phản hồi cĩ thể ổn định một đối tượng khơng ổn định, song một vịng điều khiển kín chứa một đối tượng ổn định cũng cĩ thể trở nên mất
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Thứ hai là, để đạt được chất lượng điều khiển phản hồi tốt thì phép đo đại lượng phản hồi phải cĩ độ chính xác cần thiết. Bản thân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo nên khi các giá trịđo cĩ sai số lớn thì chất lượng điều khiển khơng cịn
được đảm bảo nếu khơng cĩ các thuật tốn lọc nhiễu thích hợp.
Bên cạnh đĩ, mặc dù điều khiển phản hồi cĩ thể chấp nhận sự sai lệch của mơ hình
ở một mức độ nào đĩ nhưng nĩ khơng thể giải quyết được hồn tồn vấn đề này. Thật vậy, khĩ cĩ một bộđiều khiển tốt nếu khơng cĩ mơ hình tốt, nhất là những quá trình phức tạp.
Một nhược điểm nữa đĩ là bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản
ứng, nghĩa là chỉ khi cĩ ảnh hưởng của nhiễu được thể hiện trong giá trị biến được
điều khiển thì nĩ mới tác động trở lại, điều này là khơng thể chấp nhận được đối với những quá trình cĩ tính đáp ứng chậm (như quá trình nhiệt, quá trình phản ứng). Như vậy, trước khi bộ điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản phẩm đã bịảnh hưởng.
3.2.3 Điều khiển tỉ lệ
Trong điều khiển quá trình, giá trị của một biến cần điều khiển cĩ quan hệ trực tiếp với tỉ lệ giữa các giá trị biến vào. Do đĩ, điều khiển tỉ lệ là duy trì tỉ lệ giữa hai biến tại một giá trịđặt nhằm gián tiếp điều khiển tới một biến khác. Sách lược điều khiển tỉ lệđược áp dụng trong nhiều bài tốn khác nhau.
3.2.3.1 Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ
Theo mục đích điều khiển thì điều khiển tỉ lệ là một trường hợp đặc biệt của điều khiển truyền thẳng với các biến nhiễu được đo và bù theo nguyên tắc tỉ lệ. Quan hệ
giữa biến được điều khiển và biến cần điều khiển thường là tuyến tính.
Điều khiển tỉ lệ giúp giải quyết hiệu quả các bài tốn phi tuyến, thay vì phải tuyến tính hĩa xấp xỉ mơ hình hoặc sử dụng các phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến phức tạp. Thực chất, mỗi bộ điều khiển tỉ lệ là một bộ điều khiển phi tuyến
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
Ngồi ra, điều khiển tỉ lệ giúp cho việc thiết kế cấu trúc điều khiển đơn biến cho một quá trình đa biến được đơn giản hơn, trong đĩ sự tương tác chéo giữa các vịng
điều khiển được giảm thiểu.
Một dạng ứng dụng rất nhiều của điều khiển tỉ lệ, thường được sử dụng bù các thay
đổi dịng cấp. Trong hình 3.4 là một ứng dụng tiêu biểu. Bộ điều khiển tỉ lệ nhận một tỉ số hằng giữa nhiên liệu và ngõ cung cấp khơng khí. Bộ điều khiển nhiệt độ
cĩ thểđiều chỉnh tỉ lệ này.
Hình 3-6: Điều khiển truyền thẳng trong một buồng đốt
3.2.3.2 Điều khiển tỉ lệ kết hợp điều khiển phản hồi
Trong hai cấu hình của điều khiển tỉ lệ ta thấy vai trị của điều khiển phản hồi. Tuy nhiên, nếu xét theo mục đích điều khiển thì điều khiển tỉ lệ vẫn chỉ là một dạng của
điều khiển truyền thẳng. Trong thực tế, người ta thường sử dụng kết hợp giữa bộ điều khiển tỉ lệ và bộđiều khiển phản hồi. Kết quả là giá trịđặt tỉ lệ được tính tốn và điều chỉnh thường xuyên bởi một bộ điều khiển phản hồi.
3.2.4 Điều khiển tầng
Một trong những vấn đề của điều khiển phản hồi là nhiều khi ảnh hưởng của nhiễu quá trình tới biến đầu ra cần điều khiển được phát hiện chậm, điều này làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của sản phẩm. Ví dụ, trong tháp chưng luyện thì việc thay đổi lưu lượng hoặc thành phần cấp liệu ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng sản
Đặt tỉ lệ tựđộng
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
phẩm chưng luyện, nhưng phải sau một khoảng thời gian thì ảnh hưởng này mới quan sát được. Vì thế các vịng điều khiển phản hồi đơn khĩ đảm bảo tốc độ đáp
ứng nhanh cũng nhưđộ quá điều chỉnh nhỏ.
Điều khiển tầng là một cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vịng đơn, được sử
dụng nhằm khắc phục những nhược điểm ở trên của điều khiển phản hồi. Điều khiển tầng giúp loại bỏảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt đặc tính
động học của hệ thống. Tư tưởng chính của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi nĩ được sinh ra.
Hiện nay, trong hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình điều sử dụng cấu trúc
điều khiển tầng. Trong nhiều trường hợp, cấu trúc điều khiển tầng cũng cho phép kết hợp sử dụng nhiều sách lược điều khiển khác nhau, chẳng hạn như kết hợp điều khiển phản hồi với điều khiển tỉ lệ,…
3.2.4.1 Ứng dụng của điều khiển tầng
Ưu điểm của điều khiển tầng, đĩ là: cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ, giảm
độ quá điều chỉnh, cải thiện tính ổn định của tồn hệ kín và nâng cao tính bền vững của hệ kín.
Tất nhiên những ưu điểm trên chỉ cĩ được khi sách lược điều khiển áp dụng đúng và các bộ điều khiển được thiết kế hợp lý cũng như chi phí hợp lý. Do đĩ, ta chỉ nên áp dụng sách lược điều khiển tầng nối tiếp khi:
- Chất lượng của hệ điều khiển vịng đơn thơng thường khơng đáp ứng được yêu cầu đề ra.
- Quá trình cĩ thể phân chia thành hai quá trình con với những nguồn nhiễu tác
động độc lập, trong đĩ khâu đứng sau phải chậm hơn nhiều so vơi khâu đứng trước.
- Sách lược bù nhiễu khơng áp dụng được hoặc áp dụng nhưng kém hiệu quả
hoặc khơng giải quyết được triệt để ảnh hưởng của nhiễu cục bộ vào khâu
Học viên: Võ Ngọc Minh Luận văn Cao học
* Đối với vịng điều khiển lưu lượng thứ cấp
Ứng dụng tiêu biểu của điều khiển tầng là sử dụng vịng điều khiển lưu lượng là vịng thứ cấp. Vịng điều khiển sơ cấp cĩ thể là vịng điều khiển nhiệt độ, nồng độ, hoặc mức. Vì lưu lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Tuy nhiên, quá trình thay đổi lưu lượng phải thơng qua các cơ cấu chấp hành như van điều khiển, máy bơm, băng tải,… vì thế cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp của các nguồn nhiễu liên quan. Quá trình dịng chảy thường cĩ đặc tính
động học nhanh hơn nhiều so với các quá trình liên quan đến nhiệt độ, mức và nồng
độ. Do đĩ, việc đưa một vịng điều chỉnh bên trong vào để loại bỏ sớm ảnh hưởng của nhiễu gĩp phần cải thiện chất lượng điều khiển và tốc độđáp ứng của hệ kín.