CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG, MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
3.2. Sách lƣợc điều chỉnh
3.2.3. Điều khiển truyền thẳng - Feedforward
Nguyên lý của điều khiển Feedforward là nhận biết nhiễu ảnh hưởng tới quá trình. Bộ điều khiển sẽ tính toán biến điều khiển để hạn chế tác động của nhiễu nếu nhận dạng đƣợc hàm tác động của nhiễu lên quá trình.
Hình 3.11: Điều khiển FeedForward - Cấu trúc song song
57
Hình 3.12: Điều khiển FeedForward Cấu trúc nối tiếp-
Giả sử có thể đo đƣợc nhiễu r, mô hình đối tƣợng có thể xác định đƣợc Gd. Tín hiệu điều khiển: MV = Kr.(SV - Gd.r) (1) Hệ duy trì đƣợc CV khi CV = SV
MV.G + Gd.r = MV (2)
Kết hợp (1) và (2), ta đƣợc: Kr = G
1 Ƣu điểm của điều khiển
Feedforward
- Thực hiện đơn giản.
- Tác động nhanh, hệ bù nhiễu kịp thời trước khi nhiễu ảnh hưởng đến đối tượng.
Nhƣợc điểm của điều khiển Feedforward
- Phải xác định đƣợc nguồn nhiễu, phải đo đƣợc chính xác nguồn nhiễu.
- Trong trường hợp nhận dạng sai mô hình đối tƣợng và mô hình nhiễu sẽ dẫn đến sai số.
- Không có khả năng ổn định những hệ không ổn định.
Hình3.13: Điều khiển bộ hâm dầu sử dụng hơi - Cấu trúc Feedforward
Ví dụ về điều khiển Feedforward
Trong hệ thống hâm dầu sử dụng hơi nhiệt độ của dầu ra phụ thuộc vào lưu lƣợng hơi đƣợc điều chỉnh bằng van. Biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu ra khỏi hệ thống, giá trị điều khiển là độ mở van hơi, nhiễu là lưu lượng dầu đi vào hệ thống.
58
Khi sử dụng cấu trúc điều khiển Feedforward, ta không đo nhiệt độ của dầu ra khỏi hệ thống để điều khiển mà đo lưu lượng dầu đi vào hệ thống để điều khiển. Khi lưu lƣợng dầu đến hệ thống tăng lên, van hơi sẽ tăng độ mở, nhiệt độ dầu do đó mà đƣợc duy trì.
Với những ưu điểm tác động nhanh, bù nhiễu trước khi ảnh hưởng đến đối tƣợng, cấu trúc điều khiển Feedforward đƣợc sử dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên, do những nhược điểm như đã nêu ở trên, cấu trúc Feedforward thường được sử dụng kết hợp với cấu trúc điều khiển phản hồi (Feedforward-Plus-Feedback).
Hình 3.14:Cấu trúc Feedforward kết hợp điều khiển phản hồi 3.2.4. Điều khiển tầng - Cascade
Hình 3.15: Hệ thống hâm dầu bằng hơi Cấu trúc điều khiển phản hồi-
Do nguyên lý thực hiện là quan sát tín hiệu cần điều khiển để đƣa ra tín hiệu điều khiển nên cấu trúc điều khiển phản hồi chậm phát hiện ảnh hưởng của nhiễu quá trình, đặc biệt đối với những quá trình có hằng số thời gian lớn. Trong một số công nghệ, việc phát hiện chậm đó có thể ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm.
59
Ví dụ trong hệ thống hâm dầu bằng hơi sử dụng cấu trúc điều khiển phản hồi. Quá trình điều khiển thực hiện bằng cách đo giá trị biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu, so sánh và đưa gia tín hiệu điều khiển là độ mở van. Trong trường hợp áp suất hơi sử dụng thay đổi, với cùng độ mở van như trước, nhưng lưu lượng hơi qua van đã thay đổi, do đó nhiệt độ của dầu thu đƣợc sẽ không nhƣ mong muốn. Tuy nhiên hệ chỉ có thể phát hiện ra sự thay đổi đó sau một khoảng thời gian.
Để khắc phục nhƣợc điểm đó, đối với các đối tƣợng yêu cầu chất lƣợng điều khiển cao, phải sử dụng cấu trúc điều khiển tầng. Cấu trúc điều khiển tầng là cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn. Điều khiển tầng giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu, cải thiện đặc tính động học của hệ thống. Tư tưởng của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi phát sinh.
Điều khiển tầng có 2 cấu trúc: cấu trúc nối tiếp và cấu trúc song song
Hình 3.16:Điều khiển tầng Cấu trúc nối tiếp-
Hình 3.17:Điều khiển tầng Cấu trúc song song- Ƣu điểm của hệ cấu trúc điều khiển tầng là:
- Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ.
- Giảm độ quá điều chỉnh.
- Cải thiện tính ổn định của toàn hệ thống kín.
- Nâng cao tính bền vững của hệ kín.
Với những ƣu điểm nêu trên, cấu trúc điều khiển tầng đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Tuy nhiên, cấu trúc chỉ có thể thực hiện đƣợc khi xác định đƣợc một biến quá trình thứ 2:
- Có thể đo, điều khiển đƣợc
- Có mối quan hệ nhân quả với biến đƣợc điều khiển
- Đặc tính động của biến thứ 2 phải nhanh hơn của biến cần điều khiển.
Ví dụ về ứng dụng cấu trúc điều khiển tầng Hệ thống hâm nóng dầu ở trên có:
- Biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu
60 - Biến điều khiển là độ mở van
Để nâng cao đặc tính động học của hệ ở đây ta sử dụng thêm biến quá trình thứ hai là lưu lượng hơi cấp vào hệ thống. Đặc điểm của biến quá trình này là:
- Có thể đo được bằng thiết bị đo lưu lượng, có thể điều khiển được bằng cách thay đổi đổ mở van.
- Lưu lượng hơi có quan hệ tới biến cần điều khiển là nhiệt độ dầu, khi lưu lƣợng hơi tăng lên, nhiệt độ dầu sẽ tăng và ngƣợc lại.
- Việc điều chỉnh lưu lượng bao giờ cũng nhanh hơn sự biến đổi của quá trình nhiệt.
Vậy, ta sẽ xây dựng cấu trúc điều khiển tầng cho hệ nhƣ sau: