Đồ án Nghiên cứu và thiết kế các phương pháp điều khiển các quá trình không ổn định và có thời gian trễ trong công nghiệp (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu và thiết kế các phương pháp điều khiển các quá trình không ổn định và có thời gian trễ trong công nghiệp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH KHÔNG ỔN ĐỊNH VÀ CÓ THỜI GIAN TRỄ TRONG CÔNG NGHIỆP GVHD: TS. TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ SVTH: VÕ TRỌNG HỮU MSSV: 09911022 SVTH: VÕ TẤT QUỲNH MSSV: 09911036 SVTH: NGUYỄN CHÍ NGUYÊN MSSV: 09111059 SKL003025 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH KHÔNG ỔN ĐỊNH VÀ CÓ THỜI GIAN TRỄ TRONG CÔNG NGHIỆP” Giảng viên hƣớng dẫn : TS. TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Sinh viên thực hiện : VÕ TRỌNG HỮU : VÕ TẤT QUỲNH : NGUYỄN CHÍ NGUYÊN MSSV : 09911022 : 09911036 : 09111059 Lớp : 099110 Khóa : 2009 – 2014 TP. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ___ ___ Bộ môncơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Võ Trọng Hữu MSSV: 09911022 Võ Tất Quỳnh 09911036 Nguyễn Chí Nguyên 09111059 Ngành đào tạo: SPKT Cơ Điện Tử Hệ: 4.5 năm 1. Tên đề tài:Nghiên cứu và thiết kế các phƣơng pháp điều khiển các quá trình không ổn địnhvà có thời gian trễ trong công nghiệp. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Yongho Lee, Jeongseok Lee, Sunwon Park*, PID controller tuning for integrating and unstable processeswith time delay, Received 4 January 1999; accepted 12 October 1999. - Truong Nguyen Luan Vu , and Moonyong Lee*, A unified approach to the design of advanced proportional-integral-derivative controllers for time-delay processes, Received 7 July2012; accepted 19September2012. - Nguyễn Thế Hùng, Điều khiển tự động, 2006. 3. Nội dung chính của đồ án: - Giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển PID - Nghiên cứu các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID - Phân tích các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID - Thiết kế bộ điều khiển PID cho quá trình không ổn định bậc một và bậc hai có thời gian trễ. 4. Ngày giao đồ án: 25/3/2014 5. Ngày nộp đồ án:17/7/2014 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) Đƣợc phép bảo vệ: (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
4. LỜI CAM KẾT Tên đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế các phương pháp điều khiển các quá trình không ổn định và có thời gian trễ” GVHD: TS. Trƣơng Nguyễn Luân Vũ Họ tên sinh viên: Võ Trọng Hữu MSSV: 09911022 Lớp: 099110B Địa chỉ sinh viên:83/1 Khu Phố Đông Tân, Dĩ An, Bình Dƣơng Số điện thoại liên lạc: 01678531886 Email: tohuuvip@gmail.com Họ tên sinh viên: Võ Tất Quỳnh MSSV: 09911036 Lớp: 099110B Địa chỉ sinh viên: 77 Trƣơng Văn Thành, Phƣờng Hiệp Phú, Quận 9, TP.HCM Số điện thoại liên lạc: 01667466567 Email: voquynh2009@gmail.com Họ tên sinh viên: Nguyễn Chí Nguyên MSSV: 09111059 Lớp: 091110 Địa chỉ sinh viên: 77 Trƣơng Văn Thành, Phƣờng Hiệp Phú, Quận 9, TP.HCM Số điện thoại liên lạc: 01656170594 Email: Ngày nộp đồ án tốt nghiệp: 17/7/2014 Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này là công trình do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc.Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, Ngày 17 tháng 7 năm 2014 Ký tên i
5. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 GVHD ii
6. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng 07năm 2014 GVPB ii
7. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các bậccha mẹ những ngƣời đã sinh ra chúng em để từ đó chúng em mới có đƣợc cơ hội đếntruờng và đƣợc tiếp nhận sự tận tình giảng dạy, truyền đạt của thầy cô mà em có đƣợc nhƣ ngày hôm nay. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn đến Nhà trƣờng, Khoa cơ khí chế tạo máy, Bộ môn cơ điện tử cùng các thầy cô, bạn bè đã luôn sát cánh, đồng hành với chúng em trong suốt thời gian vừa qua. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS.Trƣơng Nguyễn Luân Vũ, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, góp ý và cung cấp ý tƣởng cũng nhƣ chỉ dẫn tài liệu thực hiện đồ án, giúp chúng em định hƣớng đi cho đề tài của mình. Sự hƣớng dẫn của thầy là một trong những yếu tố quan trọng quyết định để chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất. Cuối cùng chúng em xin chân thành gửi những lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình, những ngƣời luôn sát cánh, nuôi dƣỡng chăm sóc tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả nhƣ ngày hôm nay. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm tác giả iii
8. ABSTRACT RESEARCH AND DESIGN OF CONTROLLER METHOD FOR UNSTABLE PROCESSES WITH TIME DELAY Nowaday, in industricalsector, most of systems are controlled using PID controller to control the process. However, this controller is not optimal for the parameters changing during operation, but it is still the normal basic for the development of the optimal controller. Nowaday, in the world there are a nummerical studies about methods of optimal control based on PID. In this thesis, the authors conducted a survey of design methods of PID controller some reputable authors. On this basis, then we conduct a comparison of the design method for PID controller with two separate process such as: the first - order unstable delay time and the second-order unstable delay time. Then we design the optimal PID controller and compare with other methods. Through these methods we can appreciatedesign to meet the output for optimal response to each type of input signal (set value and disturbance) in each process. The contents of the thesis just stop at designing and evaluating compare the proposed method with other methods. In future, thesiswill continue research over the deep and wide and PID controller design methods high optimization, more successful is proposed PID controller design method of MIMO systems. iii
9. TÓM TẮT NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC QUÁ TRÌNH KHÔNG ỔN ĐỊNH VÀ CÓ THỜI GIAN TRỄ Trong công nghiệp hiện nay, hầu hết các hệ thống điều khiển đều sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển các quá trình.Tuy nhiên, các bộ điều khiển này chƣa phải là tối ƣu đối với sự thay đổi các tham số trong quá trình vận hành nhƣng nó vẫn là nền tảng cho việc phát triển các bộ điều khiển tối ƣu.Trên thế giới hiện nay đã và đang có những nghiên cứu về các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển tối ƣu dựa trên nền tảng bộ PID. Trong đồ án này, nhóm tác giả tiến hành khảo sát các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID của một số tác giả uy tín. Trên cơ sở đó tiến hành so sánh các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID đối với hai quá trình tiêu biểu là: quá trình không ổn định bậc một có thời gian trễ và quá trình không ổn định bậc hai có thời gian trễ. Sau đó tiến hành thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu và so sánh với các phƣơng pháp khác.Qua đó đánh giá đƣợc phƣơng pháp thiết kế nào cho đáp ứng đầu ra tối ƣu nhất ứng với từng loại tín hiệu vào (giá trị đặt và nhiễu) trong từng quá trình. Nội dung của đồ án chỉ dừng lại ở mức thiết kế và so sánh đánh giá phƣơng pháp đề xuất với các phƣơng pháp khác. Hƣớng phát triển của đề tài trong tƣơng lai sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu và rộng hơn các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu hơn, thành công hơn nữa là đề xuất đƣợc phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID của hệ MIMO. iv
10. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN i LỜI CAM KẾT i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI CẢM ƠN iii ABSTRACT iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu 1 1.4 Những nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 2 1.5 Kết cấu đồ án 2 1.6 Giới thiệu về bộ điều khiển PID 3 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH VÀ CÓ THỜI GIAN TRỄ 4 2.1 Đặc tính động học của các quá trình tiêu biểu 4 2.1.1 Đặc tính thời gian 4 2.1.2 Đặc tính tần số 5 2.2 Các quá trình tiêu biểu 6 2.2.1 Quá trình bậc một không có thời gian trễ 6 2.2.2 Hệ bậc hai không có thời gian trễ 7 2.2.3 Khâu trễ 10 2.2.4 Hàm bậc một có thời gian trễ 10 2.2.5 Hàm bậc hai có thời gian trễ 11 CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 12 3.1 Các tiêu chuẩn ổn định điển hình 12 3.1.1 Tiêu chuẩn ổn định Routh 12 3.1.2 Tiêu chuẩn ổn định Bode 13 v
11. 3.1.3 Tiêu chuẩn ổn định Nyquist 14 3.2 Các tiêu chuẩn so sánh của đặc tính đầu ra 16 3.2.1 Các chỉ tiêu chất lƣợng 16 3.2.2 Các tiêu chuẩn tối ƣu hóa đáp ứng quá độ 16 3.3 Phƣơng pháp ổn định bền vững theo giá trị Ms 18 CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ PI/PID ĐIỂN HÌNH 21 4.1 Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp 21 4.2 Phƣơng pháp IMC 24 4.3 Phƣơng pháp điều chỉnh theo các mối quan hệ 27 4.4 Phƣơng pháp điều chỉnh on-line sau khi lắp đặt bộ điều khiển 28 4.5 Phƣơng pháp đáp ứng tần số 30 4.6 Phƣơng pháp mô phỏng máy tính 31 CHƢƠNG 5: PHÂN TÍCH CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỂN HÌNH 32 5.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID 32 5.2 Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID 34 5.2.1 Phƣơng pháp của Lee cùng các cộng sự 34 5.2.2 Phƣơng pháp của Huang and Chen 38 5.2.2.1Mô hình FODUP 38 5.2.2.2Mô hình SODUP 39 5.2.2.3Mô hình với hai cực không ổn định và có thời gian trễ 41 5.3 Ví dụ 42 5.3.1 Quá trình không ổn định bậc một và có thời gian trễ 42 5.3.1.1Ví dụ 1 43 5.3.2 Quá trình không ổn định bậc hai và có thời gian trễ 47 5.3.2.1Ví dụ 2 47 5.3.2.2Ví dụ 3 50 CHƢƠNG 6: ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 53 6.1 Cơ sở lý thuyết 53 6.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho quá trình không ổn định bậc một có thời gian trễ 55 6.2.1 Đề xuất bộ điều khiển PID 55 vi
12. 6.2.2 So sánh với các phƣơng pháp điều khiển khác 57 6.2.2.1 Ví dụ 1 57 6.3Thiết kế bộ điều khiển PID cho quá trình không ổn định bậc hai có thời gian trễ 60 6.3.1Thiết kế bộ điều khiển PID cho quá trình không ổn định bậc hai có thời gian trễ với một cực ổn định và một cực không ổn định 60 6.3.1.1Đề xuất bộ điều khiển PID 60 6.3.1.2 So sánh với các phƣơng pháp điều khiển khác 63 6.3.1.2.1 Ví dụ 2 63 6.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho quá trình không ổn định bậc hai có thời gian trễ với hai cực không ổn định 66 6.3.2.1 Đề xuất bộ điều khiển PID 66 6.3.2.2 So sánh với các phƣơng pháp điều khiển khác 68 6.3.2.2.1 Ví dụ 3 68 CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 72 7.1 Kết luận 72 7.2 Hƣớng phát triển 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC 75 vi
13. DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1: Bảng Routh 12 Bảng 3.2: Ví dụ 1 13 Bảng 4.1: Thiết lập bộ điều khiển PID dựa trên IMC cho Gc(s) 27 Bảng 4.2: Thiết lập bộ điều khiển PID tƣơng đƣơng giữa dạng nối tiếp và song song 27 Bảng 4.3: Thiết lập bộ điều khiển PID dựa trên phƣơng pháp CC 29 Bảng 5.1: Các quy tắc điều chỉnh IMC-PID cho các quá trình FODUP và SODUP 42 Bảng 5.2.1: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 1 43 Bảng 5.2.2: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 1 45 Bảng 5.3.1: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 2 với giá trị đặt 47 Bảng 5.3.2: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 2 với tín hiệu nhiễu 49 Bảng 5.4.1: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 3 với giá trị đặt 50 Bảng 5.4.2: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 3 với tín hiệu nhiễu 51 Bảng 6.1: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 1 58 Bảng 6.2: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 2 64 Bảng 6.3: Thiết lập bộ điều khiển PID cho ví dụ 3 69 vii
14. DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Trang Sơ đồ 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hồi tiếp 21 Sơ đồ 4.2a: Cấu trúc hệ thống điều khiển hồi tiếp cổ điển 25 Sơ đồ 4.2b: Cấu trúc hệ thống điều khiển IMC 25 Sơ đồ 4.3: Đồ thị thực nghiệm Kcu 29 Sơ đồ 4.4: Sơ đồ khối với nhiễu D và tiếng ồn N 30 Sơ đồ 5.1: Sơ đồ khối hồi tiếp cổ điển 34 Sơ đồ 5.2: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ với giá trị đặt (ví dụ 1) 43 Sơ đồ 5.3: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ với tín hiệu nhiễu (ví dụ 1) 43 Sơ đồ 5.4: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ với giá trị đặt (ví dụ 2) 47 Sơ đồ 5.5: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ với tín hiệu nhiễu (ví dụ 2) 49 Sơ đồ 5.6: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ với giá trị đặt (ví dụ 3) 50 Sơ đồ 5.7: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ với tín hiệu nhiễu (ví dụ 3) 51 Sơ đồ 6.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển hồi tiếp 53 Sơ đồ 6.2: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ (ví dụ 1) 58 Sơ đồ 6.3: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ (ví dụ 2) 63 Sơ đồ 6.4: Sơ đồ mô phỏng khảo sát đáp ứng của hệ (ví dụ 3) 68 Hình 3.1: Ví dụ 3 15 Hình 3.2: Ví dụ 4 15 Hình 3.3: Sơ đồ khối tính toán giá trị IAE trong Matlab 17 Hình 3.4: Biểu diễn giá trị Ms 18 Hình 5.2.1a: Kết quả mô phỏng của đáp ứng hệ kín của bộ điều khiển PID (ví dụ 1) 44 Hình 5.2.1b: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là giá trị đặt (ví dụ 1) 44 Hình 5.2.1c: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là nhiễu (ví dụ 1) 45 Hình 5.2.2a: Kết quả mô phỏng của đáp ứng hệ kín của bộ điều khiển PID (ví dụ 1) 45 Hình 5.2.2b: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là giá trị đặt (ví dụ 1) 46 Hình 5.2.2c: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là nhiễu (ví dụ 1) 46 Hình 5.3a: Kết quả mô phỏng của đáp ứng hệ kín của bộ điều khiển PID (ví dụ 2) 48 Hình 5.3b: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là giá trị đặt (ví dụ 2) 48 Hình 5.3c: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là nhiễu viii
15. (ví dụ 2) 49 Hình 5.4a: Kết quả mô phỏng của đáp ứng hệ kín của bộ điều khiển PID (ví dụ 3) 50 Hình 5.4b: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là giá trị đặt (ví dụ 3) 51 Hình 5.4c: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là nhiễu (ví dụ 3) 52 Hình 6.1a: Kết quả mô phỏng của đáp ứng hệ kín của bộ điều khiển PID (ví dụ 1) 57 Hình 6.1b: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là giá trị đặt (ví dụ 1) 59 Hình 6.1c: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là nhiễu (ví dụ 1) 60 Hình 6.2a: Kết quả mô phỏng của đáp ứng hệ kín của bộ điều khiển PID (ví dụ 2) 63 Hình 6.2b: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là giá trị đặt (ví dụ 2) 64 Hình 6.2c: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là nhiễu (ví dụ 2) 65 Hình 6.3a: Kết quả mô phỏng của đáp ứng hệ kín của bộ điều khiển PID (ví dụ 3) 68 Hình 6.3b: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là giá trị đặt (ví dụ 3) 69 Hình 6.3c: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là nhiễu (ví dụ 3) 70 viii
16. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CC Continuous Cycling FODUP First-Order Delayed Unstable Process FOPDT First-Order PlusDead-Time IAE Integral of the Absolute Error IE Integral of the Error IMC Internal Model Control ISE Integral of the Squared Error ITAE Integral of the Time-weighted Absolute Error LD Lag Dominant Ms Maximum sensitivity PI Proportional-Integral PID Proportional-Integral-Derivative POT Percent Overshoot SODUP Second-Order Delayed Unstable Process SOPDT Second-Order PlusDead-Time TV Total Variation viii
17. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Trong nền công nghiệp tiên tiến hiện nay, hầu hết các bộ điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp là bộ điều khiển PID.Tuy nhiên, không phải bộ điều khiển PID nào cũng đều tối ƣu.Chính vì thế mà không ít những nhà nghiên cứu đi tìm hiểu và nghiên cứu để thiết kế ra bộ điều khiển PID là tối ƣu nhất. Chẳng hạn nhƣ De Paor và O’Malley (1989) đề xuất phƣơng pháp điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển P, PI và PID cho quá trình không ổn định có thời gian trễ bậc một dựa vào độ lợi và độ dự trữ pha; Quinn và Sanathanan (1989) đề xuất phƣơng pháp cho việc thiết kế bộ điều khiển cho quá trình tích phân và quá trình không ổn định có thời gian trễ dựa trên mô hình miền tần số, ngoài ra còn nhiều những nghiên cứu khác. Nhƣng không phải tự nhiên các nhà nghiên cứu lại tốn thời gian vào việc đi tìm hiểu, thiết kế và cũng không phải vì tính thông dụng, phổ biến của bộ điều khiển PID mà do tính tiện ích của bộ điều khiển PID. Luật điều khiển PID là một thuật toán đơn giản ở mọi khía cạnh nhƣ lý thuyết đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng mà đạt hiệu quả là đáp ứng đƣợc việc điều khiển một quá trình nào đó ở giá trị mong muốn nhƣ điều khiển áp suất, nhiệt độ, lƣu lƣợng, chính vì thế mà bộ điều khiển PID rất thông dụng trong công nghiệp hiện nay. Do đó, việc tìm hiểu, nghiên cứu các phƣơng pháp thiết kế một bộ điều khiển PID là rất quan trọng. Tuy nhiên, không phải bất cứ quá trình nào trong công nghiệp đều mang tính ổn định. Chính vì điều đó, nhóm thực hiện đề tài đã chọn đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế các phương pháp điều khiển các quá trình không ổn định và có thời gian trễ” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu Thứ nhất, khảo sát, nghiên cứu các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID của các nhà nghiên cứu có uy tín trong lĩnh vực này nhƣ Ziegler and Nichols, Chien et at, Rivera, Morari, Y. Lee, Horn, Chien, Huang and Chen, ; Thứ hai, phân tích các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID cho ví dụ và rút ra nhận xét đánh giá theo các chỉ tiêu chất lƣợng và các tiêu chuẩn tối ƣu, để từ đó đi đến mục tiêu thứ ba; Thứ ba, đƣa ra phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID và so sánh với các phƣơng pháp khác. 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID - Phạm vi nghiên cứu: thời gian nghiên cứu trong vòng ba tháng, nhóm tác giả tập trung vào các phƣơng pháp thiết kế áp dụng đối với các hệ thốngnhỏ nhƣ là hệ bậc một có thời gian trễ,hệ bậc hai có thời gian trễ 1
18. 1.4. Những nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Trong nƣớc: + Thiết Kế Bộ Điều Khiển Pid Bền Vững Cho Hệ Thống Phi Tuyến Bậc Hai Nhiều Đầu Vào - Nhiều Đầu Ra Và Ứng Dụng Trong Điều Khiển Tay Máy Công Nghiệp của Nguyễn Văn Minh Trí và Lê Văn Mạnh Ngoài nƣớc: có nhiều đề tài nghiên cứu, bài báo khoa học về phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID nhƣ: + Daniel E.Rivera, Internal Model Control: A Comprehensive View, Oct.1999 + Dan Chen and Dale E. Seborg: PI/PID Controller Design Based on Direct Synthesis and Disturbance Rejection (Ind. Eng. Chem. Res. 2002, 41, 4807-4822). + Ian G. Horn, Jeffery R. Aruladu, Christopher J. Gombas, Jeremy G. VanAntwerp and Richar D. Braatz, Improved Filter Design in Internal Model Control, pp. 3437- 3441, Ind. Eng. Chem. Res. 1996 + Yogho Lee, Sunwon Park, Moonyong Lee, Coleman Brosilow, PID Controller Tuning for Dsired Closed-Loop Responses for SI/SO Systems, pp 105-116, AIChE Journal, vol 44, 1998. + M. Shamsuzzoha and Moonyong Lee, IMC Filter Design for PID controller Tuning of Time Delayed Processes, DOI 10.1002/aic.11483 Published online April 15, 2008 in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com). + Truong Nguyen Luan Vu, and Moonyong Lee: A unified approach to the de sign of advanced proportional-inte gral-derivative controllers for time-delay processes, Korean J. Chem. Eng., 30(3), 546-558 (2013). 1.5. Kết cấu đồ án Nội dung của đồ án tốt nghiệp đƣợc trình bày trong 6 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan. Chƣơng này sẽ đƣợc trình bày tính cấp thiết,mục tiêu,đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chƣơng 2: Giới thiệu các quá trình ổn định và có thời gian trễ. Chƣơng này sẽ đƣợc trình bày về các đặc tính động học của các quá trình tiêu biểu và những quá trình này đƣợc sử dụng để so sánh và thiết kế các bộ điều khiển PID. Chƣơng 3:Các phƣơng pháp đánh giá tính ổn định bền vững của bộ điều khiển. Chƣơng này sẽ trình bày về các phƣơng pháp, tiêu chí để đánh giá tính ổn định và bền vững của hệ thống. Chƣơng 4: Các phƣơng pháp thiết kế PI/PID điển hình. Chƣơng này trình bày về 6 phƣơng pháp chính dùng để thiết kế bộ điều khiển PI/PID hiện nay. 2
19. Chƣơng 5: Phân tíchcác phƣơng pháp điều khiển điển hình.Chƣơng này đi sâu vào phân tích các phƣơng pháp điều khiển điển hình, từ đó đƣa ra các ví dụ minh họa và rút ra nhận xét cho phƣơng pháp đó dựa trên các tiêu chí ổn định của hệ thống. Chƣơng 6: Đề xuất phƣơng pháp thiết kế tối ƣu bộ điều khiển PID. Đây là phần nội dung trọng tâm của đề tài, trong chƣơng này sẽ đề xuất ra phƣơng pháp thiết kế tối ƣu các bộ điều khiển PID. Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển. Tổng kết nội dung đề tài, đƣa ra kết luận, định hƣớng phát triển cho đề tài là những nội dung chính của chƣơng này. 1.6. Giới thiệu về bộ điều khiển PID: Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.Trong trƣờng hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt đƣợc kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm ba thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn đƣợc gọi là điều khiểnba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển nhƣ vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tƣơng lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Bằng cách điều chỉnh ba hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt.Đáp ứng của bộ điều khiển có thể đƣợc mô tả dƣới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống.Lƣu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ƣu hoặc ổn định cho hệ thống. Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt đƣợc bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0.Một bộ điều khiển PID sẽ đƣợc gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lƣờng, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt đƣợc giá trị mong muốn. 3
20. CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH VÀ CÓ THỜI GIAN TRỄ 2.1 .Đặc tính động học của các quá trình tiêu biểu Đặc tính động học của hệ thống đƣợc dùng để mô tả sự thay đổi của tín hiệu đầu ra của hệ thống theo thời gian khi có sự tác động của tín hiệu đầu vào. Trong thực tế, các hệ thống điều khiển rất đa dạng, tuy nhiên các hệ thống điều khiển đƣợc mô tả dƣới dạng mô hình toán học nhƣ nhau thì sẽ có đặc tính động học nhƣ nhau. Để khảo sát đặc tính động học của hệ thống, tín hiệu đầu vào thƣờng đƣợc chọn là các tín hiệu cơ bản nhƣ hàm nấc đơn vị, xung đơn vị hay hàm điều hòa. 2.1.1. Đặc tính thời gian Đặc tính thời gian của hê ̣thống mô tả sƣ ̣ thay đổi tín hiêụ ở đầu ra của hê ̣thống khi tín hiêụ vào là hàm xung đơn vi ̣hay hàm nấc đơn vi.̣ Nếu tín hiệu vào là hàm xung đơn vị r(t) = δ(t) thì đáp ứng của hệ thống là: C(s) = R(s).G(s) = G(s) (vì R(s) = 1) Suy ra: c(t) = L-1{C(s)} = L-1{G(s)} = g(t) (2.1) g(t) đƣợc gọi là đáp ứng xunghay còn gọi là hàm trọng lƣợng của hệ thống. Vâỵ đáp ƣ́ ng xung là đáp ứng của hệ thống khi tín hiêụ vào là hàm xung đơn vi ̣ . Theo biểu thức (2.1) đáp ứng xung chính là biến đổi Laplace ngƣợc của hàm truyền . Nếu tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị r(t) = 1(t) thì đáp ứng của hệ thống là: (푠) 1 C(s) = R(s).G(s) = (vì R(s) = ) 푠 푠 (푠) 푡 Suy ra: c(t) = L-1{C(s)} = L-1{ } = (휏) 휏 (2.2) 푠 0 Biểu thƣ́ c (2.2) có đƣợc do áp duṇ g tính chất ảnh của tích phân của phép biến đổi Laplace . 푡 Đặt: h(t) = 0 (휏) 휏 (2.3) h(t) đƣơc̣ goị là đáp ƣ́ ng nấc hay còn goị là hàm quá đô ̣của hê ̣thống . Vâỵ đáp ƣ́ ng nấc là đáp ứng của hệ thống khi tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị. Theo biểu thƣ́ c (2.3) đáp ƣ́ ng nấc là tích phân của đáp ƣ́ ng xung. 4
21. Do quan hê ̣giƣ̃a hàm troṇ g lƣơṇ g và hàm quá đô ̣với hàm truyền cho bởi biểu thƣ́ c (2.1) và (2.3) ta thấy rằng có thể dùng hàm troṇ g lƣơṇ g và hàm quá đô ̣đề mô tả toán hoc̣ hê ̣thống tƣ ̣ đôṇ g. Khi đa ̃ biết hàm troṇ g lƣơṇ g hay hàm quá đô ̣thì se ̃ suy ra đƣơc̣ hàm truyền dê ̃ dàng bằng các công thƣ́ c sau: G(s) = L{g(t)} (2.4) 푕(푡) G(s) = L{ } (2.5) 푡 2.1.2. Đặc tính tần số Đặc tính tần số của hệ thống tuyến tính liên tục mô tả quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của hệ thống ở trạng thái xác lập khi thay đổi tần số của tín hiệu dao độ ng điều hòa tác động ở đầu vào của hệ thống. Xét hệ thống liên tục có hàm truyền là G(s), giả sử tín hiệu vào là tín hiệu hình sin: Tín hiệu ra của hệ thống là: Giả sử G(s) có n cƣc̣ pi phân biêṭ thỏa pi ≠ j, ta có thể phân tích C(s) dƣới daṇ g: Biến đổi Laplace ngƣợc biểu thức trên ta đƣợc: Nếu hê ̣thống ổn điṇ h thì tất cả các cƣc̣ pi đều có phần thực âm. Khi đó: Do đó: (2.6) Các hệ số  và xác định bởi công thức: (2.7) 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4