Ph ơng pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào - ra thực nghiệm đ ợc gọi là mô hình hoá thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống.
a -Phân loại ph ơng pháp nhận dạng :
Các ph ơng pháp thực nghiệm hiện nay vô cùng phong phú, có thể phân loại các ph ơng pháp nhận dạng từ nhiều góc nhìn khác nhau, ví dụ về vài cachs phân loại.
* Theo dạng mô hình sử dụng trực tiếp, mô hình tuyến tính bậc nhất và bậc hai ( có hoặc không có trễ, có hoặc không dao động, có hoặc không có thành phần tích phân ) là những dạng thực dụng nhất trong điều khiển quá trình với các ph ơng pháp kinh điển. Với các ph ơng pháp điều khiển hiện đại khác cho phép sử dụng các mô hình phức tạp hơn.
* Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động : nhận dạng chủ động khi tín hiệu vào đ ợc chủ động lựa chọn và kích thích ( thực tế hay sử dụng tin hiệu dạng bậc thang, xung vuông và dao động điều hoà ) đây là ph ơng pháp tốt nhất khi điều kiện thực tế cho phép. Trong thực tế, khi hệ thống đang vận hành, việc nhận dạng chủ động có thể không đ ợc thực hiện vi những lý do công nghệ, khi ấy phải chấp nhận sử dụng số liệu vào/ra vận hành thực và ta có ph ơng pháp nhận dạng bị động.
b- Các b ớc tiến hành :
Cũng nh nhiều công việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu nh bao giờ cũng là một quá trình lặp, bao gồm các b ớc :
- Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình
- Lựa chọn ph ơng pháp nhận dạng ( trực tuyến/ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủ động/bị động) chọn thuật toán ớc l ợng tham số và tiêu chuẩn đánh giá mô hình.
24
- Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cấp biến vào/ra trên cơ sở ph ơng pháp nhận dạng đã chọn, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy.
- Quyết định về dạng mô hình (phí tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn...) theo mục đích sử dụng và khả năng ứng dụng của ph ơng pháp nhận dạng đã chọn, đ a ra giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình ( bậc từ số/mẫu số, có trễ hay không trễ ....)
- Xác định các tham số mô hình tho ph ơng pháp/thuật toán đã họn
- Mô phỏng, kiềm chứng và đánh giá mô hình nhận đ ợc theo các tiêu chuẩn và nếu có thể lặp lại một hoặc một số trong các b ớc trên.
c- Xác định các tham số của mô hình : * Các ph ơng pháp dựa trên đáp ứng quá độ :
Các ph ơng pháp trực tiếp dựa trên đồ thị đáp ứng quá độ rất đ ợc a chuộng với những ng ời làm thực tế bởi tính trực quan và đơn giản. Tất nhiên, độ chính xác của các mô hình nhận đ ợc tuy không cao ( vì th ờng sử dụng mô hình bậc thấp, ảnh h ởng của nhiễu không đ ợc giải quyết tốt) nh ng có thể đáp ứng số lớn các bài toán điều khiển quá trình.
Để áp dụng ph ơng pháp này,. cần phải xác định mô hình sử dụng có đặc tính thuộc tr ờng hợp nào d ới đây :
* Đặc tính quan tính : có thể xấp xỉ thành mô hình quân tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ (F0PDT - First - 0rder - phus - Dead Time, S0pdt - Second-0rder - Plus - Dead - Time).
* Đặc tính dao động tắt dần : có thể xấp xỉ về mô hình dao động bậc hai
* Đặc tính tích phân: có thể xấp xỉ về mô hình quân tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ cộng thêm thành phần tích phân.
Nhóm các ph ơng pháp này là : i) ph ơng pháp kê tiếp tuyến, ii) ph ơng pháp hai hay ba điểm quy chiều, iii) ph ơng pháp diện tích ....
* Các ph ơng pháp dựa trên đáp ứng tần số :
Nhận dạng dựa trên số liệu đặc tính đáp ứng tần số tr ớc hết có thể phục vụ các ph ơng pháp thiết kế điều khiển trực tiếp trên miền tần số. Với ph ơng
25
Luận văn cao học - 2009
pháp này, quá trình đ ợc kích thích chủ động bằng tín hiệu hình sin hoặc kích thích bằng tín hiệu dạng xung, tuy nhiên, ph ơng pháp này th ờng khó khả thi đối với nhiều quá trình công nghiệp.
* Các ph ơng pháp bình ph ơng tối thiểu :
Đối với những quá trình phức tạp hoặc những quá trình đòi hỏi cao về chất l ợng điều khiển, có thể áp dụng ph ơng pháp nhận dạng chính xác hơn những ph ơng pháp trên. Một ph ơng pháp đ ợc coi là đa năng dựa trên nguyên lý đơn giản và quen thuộc - nguyên lý bình ph ơng tối thiểu ( Least Squares, LS) thực chất bài toán nhận dạng đ ợc đ a về bài toán tối u ví hàm mục tiêu cần cực tiểu hoá là tổng bình ph ơng sai lệch ( có thể với hệ số trọng l ợng ) giữa các số liệu quan sát thực và các giá trị tính toán ớc l ợng.
2.3 - Cơ sở thiết kế điều khiển :
Sau khi xác định đ ợc bài toán điều khiển, b ớc tiếp theo là thiết kế điều khiển. Công việc thiết kế điều khiển đ ợc tiến hành theo hai b ớc cơ bản là thiết kế cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển.
2.3.1- Cấu trúc điều khiển :
Cấu trúc điều khiển hay còn gọi là sách học điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc giữa các biến chủ đạo ( giá trị đặt ), biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển và các phần từ cấu hình hệ thống khác ( ví dụ, các khâu tính toán, lựa chọn, bù trễ ...) kết quả là đ a ra đ ợc sơ đồ khối mô tả chi tiết cấu trúc của hệ thống điều khiển. Trên cơ sở đó sẽ thực hiện b ớc tiếp theo
là lựa chọn cấu trúc và các tham sốcủa bộ điều khiển.
Trong thực tế, hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình đều có cấu trúc điều khiển dựa trên sự kết hợp hoặc mở rộng của hai nguyên lý điều khiển cơ bản, đó là điều khiển phân hồi và điều khiển thẳng.
- Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng đ ợc mô tả trên hình (2.3) đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là yêu cầu phải biết rõ thông tin về quá trình và ảnh h ởng của nhiễu ( phải đo đ ợc nhiễu) đây là nh ợc điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng. Nếu đáp ứng đ ợc yêu cầu trên thì
26
điều khiển truyền thẳng có u điểm quan trọng là khả năng loại bỏ nhiễu tr ớc khi nó kịp ảnh h ởng xấu tới quá trình.
Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng
- Với bài toán điều khiển là thiết lập và duy trì một đại l ợng cần điều khiển tại một giá trí đặt cho tr ớc trong khi có tác động của nhiễu ( có thể không đo đ ợc ) ta nên chọn cấu trúc điều khiển phân hồi.
Điều khiển phản hồi ( F eedback control ) hay còn gọi là điều khiển vòng kín ( elosed - loop control ) dựa trên nguyên tắc liên tục đo ( hoặc quan
sát ) giá trị biến đ ợc điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển. Trong các sách l ợc điều khiển, điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng hàng đầu. Điều khiển phản hồi đ ợc sử dụng gần nh trong tất cả các hệ thống điều khiển tự động.
Có thể nói " điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định " {1}.
Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điều khiển phản hồi đ ợc minh hoạ trên hình (2.4). Z W G U C Y
Hình 2.4 : Cấu trúc tổng quát của bộ điều khiển phản hồi. 27
kí hiệu
G :mô hình qúa trình tổng quát C : bộ điều khiển tổng quát
W :các đầu vào quá trình ( bao gồm cả nhiễu đo) Z : các đầu ra cần kiểm soát
Y : các đầu vào của bộ điều khiển U : tín hiệu điều khiển
Điều khiển phản hồi có hai cấu hình hay dùng là :
* Cấu hình điều khiển một bậc tự do : bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển dựa trên sai lệch giữa giá trị quan sát d ợc của biến đ ợc điều khiển với
giá trị đặt. Ví dụ, luật tỷ lệ, tích phân, vi phân trong bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển chỉ tính toán đầu ra của nó dựa theo sai lệch, không phân biệt sai lệch đó là do nhiễu quá trình hay do thay đổi giá trị đặt gây ra. Nói cách khác, trong hầu hết tr ờng hợp ta sẽ gặp khó khăn trong việc chỉnh định bộ điều khiển để thoả mãn yêu cầu đáp ứng bám giá trị đặt và đáp ứng loại bỏ nhiễu.
* Một cấu hình điều khiển khác, bộ điều khiển chứa hai khâu trong ứng với hai đầu vào, có thể chỉnh định một cách độc lập để đ a ra đáp ứng các yêu cầu riêng về bám giá trị đặt cũng nh loại bỏ nhiễu - gọi là bộ điều khiển phân hồi có cấu hình điều khiển hai bậc tự do. Về bản chất, cấu hình điều khiển hai bậc tự do là sự kết hợp của điều khiển phản hồi và điều khiển thẳng, nó cũng chiếm u thế khi lựa chọn ứng dụng trong công nghiệp.
2.3.2- Thiết kế bộ điều khiển :
Các bộ điều khiển phản hồi là những thành phần cốt lõi của mỗi hệ thống
điều khiển tự động. Bộ điều khiển phản hồi có chức năng nhận tín hiệu,
do sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đ a ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biếu điều khiển thông qua thiết bị chấp hành. Trong một hệ thống điều khiển quá trình, các bộ điều khiển phản hồi có thể đựơc thực hiện d ới dạng một thiết bị điều khiển vòng đơn ( Single - Loop Controller, SLC ) Distrbuted Control System ), PLC 9 Programmable Logic Controller )
hoặc máy tính PC công nghiệp.
28
Luận văn cao học - 2009
Từ hơn sáu thập kỷ nay, PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình bởi vì :
* Cấu trúc và nguyên lý hoạt đôộng đơn giản , dễ hiểu và dễ sử dụng đối với những ng ời làm thực tế.
* Có rất nhiều ph ơng pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham số của bộ điều khiển.
* Các luật điều khiển P, PI và PID thích hợp cho một phần lớn các quá trình công nghiệp.
* Do kết cấu " cứng " nên khả năng hiệu chỉnh tham số hạn chế, hầu nh đ ợc thiết kế, chế tạo chỉ phục vụ cho một hoặc một lớp đối t ợng điều khiển cụ thể, không đ ợc chế tạo theo chuẩn đồng loạt.
* Hạn chế khả năng tự chỉnh định tham số.
* Hạn chế tích hợp các chức năng khác nh tính toán, ra thông báo, cảnh báo....
* Thiết bị chịu ảnh h ởng lớn của các yếu tố môi tr ờng nh nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu ...
Ngày nay, do công nghệ vi xử lý, máy tính số phát triển, nên hâù hết các bộ điều khiển PID đ ợc thực hiện bằng kỹ thuật số - xây dựng trên nền máy tính số. Chúng hoàn toàn khắc phục đ ợc những nh ợc điểm của bộ điều khiển t ơng tự.
29
Ch ơng III
điều khiển mờ