L ỜI CẢM ƠN
3.2. PHẦN MỀM HỖ TRỢ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Với mục tiêu triển khai chỉnh định thực tếvà đưa phần tử dự báo vào hệ thống
điều khiển, nghiên cứu xây dựng phần mềm tính toán và định hướng chỉnh định tham số bộ điều khiển đối tượng quá trình nhiệt trên ngôn ngữ lập trình C-Sharp. Lưu đồ
thể hiện quá trình thao tác tổng quát trên phần mềm được minh họa trong Hình 3.4. Phần mềm được xây dựng có những các chức năng chính như sau:
- Với mô hình đối tượng là các quá trình nhiệt, hàm truyền laplace được nhập vào phần mềm. Sau đó, phần mềm tính toán ra chỉ số dao động mềm (ứng với tần số
cắt) và tham số bộđiều khiển PI, PID dựa trên quan điểm bền vững;
- Vẽđặc tính mềm hệ hở của mạch điều khiển, kiểm tra khảnăng hội tụ của hệ
thống bằng cách sử dụng các tham số bộđiều khiển và chỉ sốdao động mềm (ứng với tần số cắt);
- Vẽđặc tính cứng hệ hở của hệ thống điều khiển theo chỉ sốbiên độ dao động hệ kín, kiểm tra tính hội tụ của đáp ứng đầu ra hệ thống;
- Vẽđược đáp ứng đầu ra của hệ thống có kích thích đầu vào là xung vuông với các tham sốPI/PID/PD/D được tính toán theo lượng đặt và theo tác động của nhiễu tải; so sánh đáp ứng đầu ra với các tham số PI/PID/PD/D khác nhau;
- Cho phép chỉnh định tham số bộ điều khiển, đồng thời so sánh với một số phương pháp trong miền tần số [24,35-37] và áp dụng cho 3 dạng mạch vòng: mạch một vòng đơn, mạch hai vòng cascade, mạch hai vòng có bộ vi phân;
Nhập tham số các hàm truyền đối tượng
Bao điểm (0, -1j) Bắt đầu Kết thúc - Tính toán tham số BĐK - Vẽ đặc tính mềm hệ hở Tính toán, mô phỏng đáp ứng đầu ra của hệ thống Chất lượng điều khiển đạt
Bộ tham số điều khiển các mạch vòng Đạt Không Đạt Đạt Không Thời gian phần tử dự báo, chọn chế độ vẽ nhiều đáp ứng Lựa chọn phương pháp
thiết kế bộ điều khiển Chọn dạng mạch và dạng bộ điều khiển
Nhập giá trị độ dự trữ ổn định theo đặc tính mềm - Vẽ hàm bổ sung - Tính toán tham số BĐK - Vẽ đặc tính cứng hệ hở Nhập giá trị độ dự trữ ổn định theo biên độ dao động
Tính toán đáp ứng đầu ra của hệ thống
Hình 3.4. Lưu đồ chung sử dụng phần mềm
- Đánh giá chất lượng điều khiển của các bộ tham số mới thông qua các chỉ tiêu
đặc trưng của quá trình nhiệt một cách dễ dàng, thuận tiện;
- Đánh giá hệ thống khi thay đổi độ dự trữ ổn định theo biên độdao động của hệ mạch vòng kín;
- Từ bộ điều khiển PID lý tưởng, phần mềm cho phép thiết kế bộ điều khiển PID thực theo cấu trúc trong nhà máy điện;
- Cho phép lưu hình ảnh các đáp ứng, hình vẽđược mô phỏng. Một số thuật toán và mã nguồn điển hình được dẫn tại Phụ lục 3.
Các dạng mô hình hàm truyền đối tượng được lập trình nhận dạng gồm có: quán tính bậc nhất có trễ, quán tính bậc hai có trễ, quán tính bậc ba có trễ, tích phân quán tính bậc 1 có trễ, tích phân quán tính bậc 2 có trễ, dao động có trễ.
3.2.2. Các cửa sổ chính của phần mềm
Phần mềm chỉnh tham số bộđiều khiển được lập trình với phân hệ cửa sổ chính,
trong đó có ba cửa sổ chính và một cửa sổ hỗ trợ. Các cửa sổ chính thao tác lựa chọn mạch tính toán, nhập mô hình đối tượng và chọn bộđiều khiển cần tính toán. Cửa sổ thao tác chính theo phương pháp [8,9,24,35-37] và thiết kế hệ thống điều khiển khi kết hợp phần tử dự báo sai lệch điều khiển, từđó tìm ra giá trị dự báo phù hợp.
Cửa sổchính đầu tiên được thiết kếđể lựa chọn mô hình mạch vòng điều khiển và nhập thông số hàm truyền đối tượng tương ứng. Các loại mạch vòng gồm: mạch một vòng đơn, mạch 2 tầng cascade và mạch 2 tầng có khâu vi phân (Hình 3.5).
Hình 3.5. Module khai báo bài toán thiết kế và nhập hàm truyền đối tượng
Thao tác sử dụng phần mềm được thiết kế phù hợp với thực tế sản xuất, nhằm
đơn giản hóa, tiết kiệm thời gian tiếp cận và sử dụng phần mềm. Các bước thực hiện
- Chọn mô hình và nạp tham số hàm truyền đối tượng, chọn phương pháp chỉnh
định, đặt giá trịđộ dự trữổn định theo dạng mạch một vòng đơn;
- Tính toán tham số bộđiều khiển và thay đổi tham số bộđiều khiển khi muốn so sánh đặc tính mềm ứng với nhiều bộđiều khiển khác nhau, hoặc thay đổi giá trị
thời gian của phần tử dự báo đểđánh giá đặc tính mềm hệ hở của mạch điều khiển có bổ sung phần tử dự báo.
Hình 3.6. Module thể hiện phương pháp chỉnh định tại [24]
Tại mỗi cửa số chính thứ hai và ba minh họa trên Hình 3.6 và Hình 3.7 gồm 4 trang, được thiết kế cho phép hiện thực các phương pháp chỉnh định [24][35-37] gồm có: Vẽ hàm hỗ trợ xây dựng tham số bộđiều khiển PI/PID; xây dựng đặc tính cứng,
đặc tính mềm hệ hở; vẽđáp ứng đầu ra theo tác động của nhiễu và đại lượng đặt. Thuật toán tối ưu hóa lát cắt vàng được lập trình trong phần mềm nhằm giải quyết các nhiệm vụ về tối ưu hóa trong quá trình. Thiết kếđưa ra đáp ứng bước của hệ thống theo tác động của nhiễu và lượng đặt khi xung đầu vào là xung vuông.
Phần mềm cho phép xây dựng bộđiều khiển theo độ dự trữổn định theo biên
độ dao động của mạch vòng kín. Mục tiêu thiết kế sao cho đặc tính tần số hệ hở sẽ
tiếp xúc đường tròn bán kính 2 1 M M − , với tâm 21 ;0 1 M − − [24].
Ngoài ra, phần mềm có các cửa sổ phụ gồm các trang hỗ trợ sử dụng phần mềm, thể hiện các phương pháp luận lý thuyết như [24,35-37]:
- Sơ đồ cấu trúc điều khiển bổ sung thành phần dựbáo đáp ứng điều khiển; - Sơ đồ cấu trúc điều khiển các mạch vòng;
Hình 3.7. Module thể hiện phương pháp chỉnh định tại [35-37]
Phần mềm đã thực hiện thiết kế tham số bộ điều khiển theo một số dạng mạch vòng và đối tượng điều khiển đã được nghiên cứu tại [8]. Kết quả thu được tương
đồng như đã trình bày tại [8] (Chi tiết tại Phụ lục 4). Chứng tỏ rằng tham số bộđiều khiển, đặc tính mềm hệ hở và đáp ứng đầu ra của hệ thống được phần mềm trả ra có
độ tin cậy nhất định. Chi tiết phương án thao tác trên phần mềm được trình bày tại Phụ lục 4.
3.3.ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CHỈNH THAM SỐ BỘĐIỀU KHIỂN 3.3.1. Thiết kế bộđiều khiển PI 3.3.1. Thiết kế bộđiều khiển PI
Sử dụng phần mềm thực hiện thiết kế tham số bộđiều khiển cho mạch vòng đơn
với hàm truyền đối tượng dạng như sau:
( ) 13 1 . 0,075 1 30 1 ps s p p k e e G s T s s − − = = + + (3.16)
Lưu ý thời gian trễđối tượng mô phỏng là p =13s.
Thiết kế tham số theo chỉ số dao động mềm và đặc tính mềm hệ hở [36,37]
Phương pháp [35-37] xác định cấu trúc bộ điều khiển theo dạng mô hình đối tượng. Với hàm truyền đối tượng dạng tích phân quán tính bậc 1, bộđiều khiển thiết kế sẽ có dạng PI gồm các thao tác chính như sau:
- Tại cửa sổ“Begin” chọn: Phương pháp turning “Nguyen Van Manh”; mạch thiết kế hệ thống “Single Outline”; Bộ điều khiển “PI”; nhập tham số hàm truyền
đối tượng. Tích chuột nút “Next” hoặc nhấn “Enter” trên bàn phím để hiện ra cửa sổ
- Tại cửa sổ “Method professor Nguyen Van Manh” nhập: chỉ sốdao động cắt mc. Tích chuột vào nút “Refresh” hoặc nhấn “Enter” để được tham số bộ điều khiển và đặc tính mềm hệ hở. ( ) 1 1 1 31,621 1 30 c p i G s k T s s = + = + (3.17)
- Lần lượt tăng giá trị thời gian dự báo пр =0, 2, 4,6s và nhấn “Enter” để thu
được các đặc tính mềm hệ hở khác nhau từ số 1-4, dẫn tại Hình 3.8.
Sau khi có các kết quả tính toán tham số bộđiều khiển và vẽ đặc tính mềm hệ
hở, phần mềm cho phép xác định vị trí tần số cắt nhằm xác định phạm vi hệ thống ổn
định với dao động cao tần.
Tuy nhiên, chất lượng điều khiển và tính ổn định của hệ thống là hai chỉtiêu đối nghịch nhau. Việc tăng thời gian dự báo lớn có thể giúp chất lượng điều khiển tốt,
đặc tính mềm cách xa điểm (−1 ,0j ) nhưng dẫn tới mở rộng ảnh hưởng của giai đoạn cao tần. Do vậy, sử dụng phần mềm cho phép đánh giá giá trị thời gian dự báo tối đa
có thể xác lập, nhằm đưa ra giá trị khuyến nghị phù hợp với từng mạch vòng cụ thể.
Hình 3.8. Đặc tính mềm hệ hở mạch vòng đơn khi thay đổi thời gian dự báo Nhận xét:
- Khi chưa tăng thời gian dựbáo, đặc tính mềm hệ hở do phần mềm trảra đã đi qua điểm(−1 ,0j ), như vậy tham số do phần mềm tính toán đã đúng theo phương pháp
của [35-37], trùng với kết quả phần mềm CASCAD [8].
âm tần dịch xa về bên phải của điểm (−1 ,0j ), giúp hệ thống xác lập nhanh giá trịđặt. Với giá trị пр =2,6stương ứng bằng 0,154-0,461 lần thời gian trễ vận tải p, đặc tính mềm cho thấy hệ thống vẫn có thể vận hành ổn định.
Với mạch điều khiển đơn, khi tính toán theo phương pháp [35-37], thao tác của
người sử dụng khá đơn giản đểthu được tham số bộđiều khiển.
Thiết kế tham số dự trữổn định đặc tính cứng và biên độ dao động [24]
Phương pháp [24] cho phép lựa chọn bộđiều khiển PI mà không phụ thuộc vào hàm truyền đối tượng. Trình tựthao tác như sau:
- Tại cửa sổ “Begin” chọn: Phương pháp turning “Ротач Виталий Яковлевич”; mạch thiết kế hệ thống “Single Outline”; bộ điều khiển “PI”; chọn
mô hình đối tượng “First order plus dead time”; nhập tham số hàm truyền đối
tượng. Chọn nhấn vào nút “Next” hoặc nhấn “Enter” trên bàn phím để hiện ra cửa sổ thiết kế và vẽđặc tính cứng mạch vòng hở.
- Tại cửa sổ“Method professorРотач Виталий Яковлевич” nhập: chỉ tiêu dự trữ tần số M. Tích chọn “Build a support function” để vẽ hàm bổ sung. Hiệu chỉnh tham số các tọa độ trục và chọn “Clear” đểthu được tỉ lệ cung lồi phù hợp.
- Sử dụng sựgiúp đỡ của chuột máy tính và tính năng “Current position” để
xác định giá trị tần số của điểm cực đại cộng hưởng.
- Nhập giá trị cộng hưởng vào ô “Resonance frequency” và tích chọn “Build a support function” để thu được tham số bộ điều khiển PI và đặc tính cứng hệ hở
tiếp xúc với đường tròn dự trữdao động.
( ) 1 1 1 20, 068 1 21, 4548 c p i G s k T s s = + = + (3.18) Hình 3.9. Đồ thị hàm hỗ trợvà đặc tính cứng hệ hở
Khi đã có tham số bộđiều khiển PI theo một trong hai phương pháp, để thiết kế đáp ứng đầu ra của hệ thống, ta chuyển sang trang “Single-ACP Transient”. Tại đây
cần chọn “Regulatory impact” hoặc “Specified impact” trước khi nhấn chọn
“Construct an output signal”. Hiệu chỉnh tỉ lệ các trục của của đồ thị giúp cân đối
Khi cần vẽ nhiều đồ thị trên cùng một vùng với sựthay đổi tham số PID, giá trị điều khiển dự báo, nhấn chọn “Compare the output signal” trước khi chọn
“Construct an output signal”. Kết quảđáp ứng bước của hệ thống theo lượng đặt và nhiễu với tác động đầu vào là xung vuông được thể hiện trên Hình 3.10-3.11.
a) b)
Hình 3.10. Đáp ứng bước theo lượng đặt của hệ thống
a)Theo đặc tính mềm [36-37], b) Theo biên độdao động [24]
a) b)
Hình 3.11. Đáp ứng bước theo nhiễu của hệ thống
a)Theo đặc tính mềm [36-37], b) Theo biên độdao động [24]
Nhận xét:
- Phần mềm cho phép tính toán tham số bộđiều khiển PI/PID theo hai phương
pháp và so sánh hiệu quả thiết kế. Với đường số 1 là bộđiều khiển nguyên bản, đường số2, 3, 4 tương ứng với thời gian dự báo từ 2,4,6s.
- Với mạch 01 vòng đơn và đối tượng quán tính bậc nhất có trễ, phương pháp
tính toán tham số bộđiều khiển tại [24,36-37] đều có thể trả ra bộđiều khiển giúp hệ
thống vận hành ổn định.
- Khi bổ sung phần tử dự báo với thời gian dự báo từ 2,4,6s (không vượt quá 0,461 lần thời gian trễ vận tải của đối tượng) thì đáp ứng hệ thống theo tham số bộ điều khiển [24] thích nghi có phần tốt hơn.
3.3.2. Thiết kế bộđiều khiển PID dạng thực
thiết kế với nhiều mô hình đối tượng, đồng thời có thể chọn bộ điều khiển PI hoặc PID. Giả sửđối tượng theo tài liệu [24] với dạng:
( ) (1,9 1 1,9)( 0, 451 1,9)( 1) 0,52 s p G s e s s s − = + + + (3.19)
Thiết kế bộđiều khiển PID lý tưởng theo [24] với r =0, 472rad s thu được:
( ) 1 1 1 7,04876 1 1,839 2, 44 c p d i G s k T s s T s s = + + = + + (3.20)
Tuy nhiên, bộ điều khiển PID tại các NMNĐ trên thức tế nếu có sẽ ở dạng vi phân thực sau: ( ) 1 1 1 d c p i f T s G s k T s T s = + + + . Phần mềm thiết kế các tham số bộđiều khiển PID thực theo trình tự:
- Tại cửa sổ“Begin” chọn bộđiều khiển “PID real”;
- Thực hiện thiết kế bộđiều khiển PID lý tưởng;
- Tại cửa sổ“Method professor РотачВиталийЯковлевич” nhập và nhấn chọn “Set up a real controller”;
- Chọn “Build a support function” để vẽ hàm bổ sung mới. Hiệu chỉnh tỉ lệ
các trục tọa độ và chọn “Clear” đểthu được giao điểm của đồ thị với trục thực (trục hoành) của hệ trục tọa độ miền tần số;
- Sử dụng tính năng “Current position” đểxác định giá trị tần số của giao điểm giữa hàm hỗ trợ và trục hoành;
- Nhập giá trị cộng hưởng vào cửa sổ“Resonance frequency”, tích chọn “Build a support function” và nút “Clear” cho tới khi tham số bộ điều khiển không thay
đổi đểthu được tham số bộđiều khiển PID thực và đặc tính cứng hệ hở tiếp xúc với
đường tròn dự trữdao động. Bộđiều khiển thu được có dạng:
( ) 1 1 2,035 1 5,862 1 1 2, 229 0, 254 1 d c p i f T s s G s k T s T s s s = + + = + + + + (3.21) Kết quả trả ra của phần mềm và đặc tính cứng được thể hiện tại Hình 3.12. Hình 3.12. Hàm bổsung và đặc tính cứng của mạch hở
Đáp ứng hệ thống điều khiển theo lượng đặt và kênh nhiễu khi thay đổi tham số
bộđiều khiển lý tưởng và thực được minh họa trên Hình 3.13.
Hình 3.13. Đáp ứng bước đầu ra của hệ thống theo lượng đặt và kênh nhiễu
1 –PID lý tưởng; 2 – PID thực; 3,4 – PID thực vớipr =1, 2s
Nhận xét:
- Tham số bộđiều khiển thực do phần mềm tính toán tương đồng với tham số
tại [24], giúp hệ thống đáp ứng gần tương đương tham sốlý tưởng. Điều này cho thấy sự hiệu quả của phần mềm trong việc tính toán và đánh giá tham số bộđiều khiển.
- Bộđiều khiển kết hợp phần tử dự báo với đối tượng có trễ vận tải nhỏ gây ra hiện tượng nhiễu động đáp ứng đầu ra của hệ thống, đặc biệt đối với chế độ điều