Luận văn Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển PI/PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển PI/PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PI/PID ĐỂ NÂNG CAO SỰ ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN CÓ THỜI GIAN TRỄ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 0 4 3 8 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PI/PID ĐỂ NÂNG CAO SỰ ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN CÓ THỜI GIAN TRỄ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS. TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Tấn Chương Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 30/08/1988 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 74/17/9 Phan Văn Hớn, P.Tân Thới Nhất, Q12, HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: chuongnguyen55@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 10/2006 đến 10/2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường đại học sư phạm kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí chế tạo máy Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế máy cắt kim loại Truyền động thủy lực III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm DNTN Cơ khí chính xác 03/2011 – 07/2011 Vận hành máy Thanh Châu 07/2011 - Nay Công ty thép tấm lá Phú Mỹ Quản lý thiết bị i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2014 Người thực hiện Nguyễn Tấn Chương ii
5. LỜI CẢM TẠ Trong quá trình thực hiện đề tài “Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển PI/PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ”. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu , Khoa kỹ thuật cơ khí và các giảng viên Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã giúp đỡ tôi trong suốt thời nghiên cứu đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trương Nguyễn Luân Vũ, thầy giáo trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ Tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, và đồng nghiệp đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi trong suốt thời gian học tập. Người thực hiện Nguyễn Tấn Chương iii
6. TÓM TẮT Trong các hệ thống điều khiển đa vòng lặp, sự tương tác năng động giữa các vòng lặp kín có thể được sử dụng để nâng cao hiệu suất ổn định và bền vững, nhưng rất khó để xác định một cách chính xác, bởi vì có một số yếu tố làm cho cho hệ thống không chắc chắn và phức tạp hơn. Do đó, phương pháp thiết kế mới nhằm xác định những tương tác này và đề xuất cấu trúc bộ điều khiển PI nhiều vòng lặp. Phương pháp này có thể kết nối sự tương tác năng động của các vòng lặp kín (mối quan hệ độ lợi- RGA) và sự phân ly tĩnh để giảm quá trình tương tác thành công. RGA có chứa phân ly tĩnh có thể được áp dụng cho các chế độ điều khiển tích phân, điều đó có ý nghĩa quan trọng ở tần số thấp và bỏ qua các yếu tố tương tác ở tần số cao, đồng thời các yếu tố này có thể được bù đắp để vượt trội ở tần số cao. Dựa trên mối quan hệ độ lợitần số phụ thuộc, sự cân bằng giữa một số yếu tố của quá trình tương tác rất hữu ích để mang lại sự tương tác lặp vào phép tính và làm cho hệ thống điều khiển đa vòng lặp vận hành một cách hoàn hảo hơn. Phương pháp thiết kế đề xuất thì đơn giản và dễ dàng thực hiện. Một số mô hình điều khiển nổi tiếng được nghiên cthực hiện để chứng minh sự đơn giản và hiệu quả của phương pháp thiết kế bộ điều khiển đề xuất này. iv
7. ABSTRACT In multi-loop control system, the closed-loop dynamic interaction can be used to enhance the stable and robust performance but it is difficult to obtain exactly because there are several uncertain factors, which make control system is more complicated. Consequently, the new design method is aimed to specify these interactions and propose new design method of multi-loop PI controller. The proposed method can connect the closed-loop dynamic interactions (i.e., the relative gain array) and static decoupler for reducing the process interactions successfully. The RGA that contains static decoupler can be applied to the integral control mode , which is significant at low frequencies and neglected at high frequencies, the proposed dynamic interaction factor can be compensated for proportional gain, which is predominant at high frequencies. In accordance with frequency-dependent relative gain array, the tradeoffs between some factors of process interactions is helped to bring the loop interactions into account that is maked the performance of multi-loop control system more perfectly. The proposed method is simple, straightforward and easily implemented in practice. Several well-known process models are studied to demonstrate how simplicity and effectiveness of the proposed method. v
8. MỤC LỤC Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt x Danh sách các bảng xiii Danh sách các hình xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 1 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1 1.5 Tổng quan về bộ điều khiển PID 2 1.5.1 Điều khiển cổ điển 2 1.5.2 Bộ điều khiển PID 2 1.5.3 Hệ thống điều khiển hiện đại 3 1.5.4 Các hệ thống điều khiển điển hình 3 CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNGVÒNG LẶP PI/PID ĐIỂN HÌNH 6 2.1 Giới thiệu 6 2.2 Phương pháp Ziegler-Nichols (Z - N) 7 2.3 Phương pháp điều chỉnh BLT (BLT) 8 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI/PID ĐIỂN HÌNH 12 3.1 Phương pháp SAT (Loh, 1993) 12 vi
9. 3.1.1 Vòng lặp kín với chế độ dò tự động liên tục 12 3.1.2 Thiết lập trọng số 13 3.1.3 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp SAT 14 3.1.4 Các dạng nghiên cứu 14 3.1.4.1 Ví dụ 1 14 3.3.4.2 Ví dụ 2 15 3.2 Điều chỉnh Mp 16 3.2.1 Nguyên tắc cơ bản của điều chỉnh MP 16 3.2.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều chỉnh Mp 17 3.2.3 Các dạng nghiên cứu 17 3.2.3.1 Ví dụ 1 17 3.2.3.2 Ví dụ 2 18 3.3 Thiết kế phương pháp độ lợi và pha biên đa vòng lặp (Gain and Phase Margin - GPM) 19 3.3.1 Nguyên tắc cơ bản của GPM 19 3.3.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp GMP 21 3.3.3 Các dạng nghiên cứu 22 3.3.3.1 Ví dụ 1 22 3.3.3.2 Ví dụ 2 23 3.4 Phương pháp thiết kế đa vòng lặp các miền Gershgorin (GB) 24 3.4.1 Nguyên tắc cơ bản của GB 20 3.4.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp GB 25 3.4.3 Các dạng nghiên cứu 25 3.4.3.1 Ví dụ 1 26 3.4.3.2 Ví dụ 2 26 3.5 Các phương pháp điều chỉnh phân tán λ (DLT) 27 3.5.1 Nguyên tắc cơ bản của DLT 27 3.5.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp DLT 28 3.5.3 Các dạng nghiên cứu 28 vii
10. 3.5.3.1 Ví dụ 1 28 3.5.3.2 Ví dụ 2 29 3.6 Phương pháp một tham số (OPM) 30 3.6.1 Nguyên tắc cơ bản của OPM 30 3.6.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp OPM 31 3.6.3 Các dạng nghiên cứu 31 3.6.3.1 Ví dụ 1 31 3.6.3.2 Ví dụ 2 32 3.7 Chiến lược thiết kế độc lập 33 3.8 Phương pháp Wang 2 (RAIS) 34 3.8.1 Nguyên tắc cơ bản 34 3.8.2 Những ưu điểm và nhược điểm của RAIS 35 3.8.3 Các dạng nghiên cứu 35 3.8.3.1 Ví dụ 1 35 3.8.3.2 Ví dụ 2 36 3.9 Phương pháp Wang 1 (CRPTRO) 37 3.9.1 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp CRPTRO 37 3.9.2 Các dạng nghiên cứu 38 3.9.2.1 Ví dụ 1 38 3.9.2.2 Ví dụ 2 39 CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 40 4.1 Các chỉ tiêu chất lượng 40 4.2 Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng quá độ 40 4.3 Phương pháp ổn định bền vững theo giá trị Ms 42 CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TỐI ƯU 45 5.1 Giới thiệu 45 5.2 Phương pháp đề xuất 45 viii
11. 5.2.1 Thiết kế của bộ điều khiển PI đa vòng lặp kín dựa trên việc cân bằng sự tương tác của các yếu tố và RGA 45 5.2.2 Phân tích hệ thống đa vòng lặp 49 5.2.2.1 Giới hạn trường hợp xấu nhất để cân đối với độ lợi tại tần số cao 49 5.2.2.2 Các cấu trúc điều khiển lựa chọn cho quá trình nhiều thời gian trễ 51 5.3 Sự điều chỉnh lại của hệ thống điều khiển đa vòng lặp để tăng cường sức mạnh và bền vững 52 5.4 Trình tự thiết kế bộ điều khiển PI đa vòng lặp 54 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN 56 6.1 Các mô hình và phương pháp so sánh 56 6.2 Mô phỏng và so sánh 56 6.2.1 So sánh phương pháp đề xuất với phương pháp mô hình tháp VL 56 6.2.2 So sánh phương pháp đề xuất với mô hình ISPR bởi Chien 59 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 ix
12. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative BLT Biggest Log Modulus DLT The decentralized λ tuning IMC Integral Model Control IAE Integral Absolute Error ISE Integral Square Error ITAE Integral Time Absolute Error MIMO Multi-Input Multi-Output NMP Nonminimum Phase RP Robust Performance RS Robust Stability Ms Maximum Sensitivity SISO Single-Input Single-Output SSV Structured Singular Value SV Singular Value VL Vinante and Luyben WB Wood and Berry ISPR Industrial-Scale Polymerization Reactor RAIS Rational Approximation of the Irational Solutions FOPDT First Order Plus Dead Time Ký hiệu khoa học e(s) Tín hiệu sai số liên tục x
13. Gc(s) Hàm truyền của bộ điều khiển Gp(s) Hàm truyền của quá trình xử lý Kc Độ lợi hệ thống điều khiển KP Độ lợi tỷ lệ KI Độ lợi tích phân TI Thời gian tích phân TD Thời gian đạo hàm td Thời gian trễ Thời gian trễ H(s) Hàm truyền vòng lặp kín Lcm Một logarit mô đun vòng lặp đa biến p(s)(P(s)) SISO(MIMO) , biểu diễn các mô hình xử lý trong đó p = (P = ) là giả định () (()) SISO(MIMO), Mô hình xử lý () Tất cả thông qua bởi phần tử NMP của () r(s) Giá trị thiết lập liên tục u(s) Giá trị đặt vào y(s) Giá trị đầu ra Ký hiệu la mã λ Hằng số thời gian vòng lặp kín (A) Giá trị lớn nhất của A (A) Giá trị nhỏ nhất của A Thời gian đạo hàm Thời gian tích phân xi
14. Tần số Băng thông của vòng lặp kín Chỉ số trên H Chuyển vị của một ma trận phức hợp T Chuyển vị Ký hiệu đặc biệt ∀ Với mọi ∋ Sao cho xii
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1 Sửa đổi quy tắc điều chỉnh Ziegler-Nichols 25 Bảng 3.2 Thiết lập điều khiển PI cho tháp Wood và Berry (bằng phương pháp thiết kế đa vòng sử dụng miền Gershgorin) 25 Bảng 5.1 Tham số của bộ điều khiển PI đề xuất với thời gian trễ 49 Bảng 6.1 Kết quả điều chỉnh theo phương pháp đề xuất PI và phương pháp khác nhau trong phương pháp BLT và trong quy mô công nghiệp với mô hình phản ứng trùng hợp 58 xiii
16. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1 Bước đáp ứng cho tháp WB bằng phương pháp McAvoy 8 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đa vòng 9 Hình 2.3 Sơ đồ khối cho phương pháp điều chỉnh BLT 11 Hình 3.1 Thủ thuật điều chỉnh tuần tự cho các hệ thống 2x2 12 Hình 3.2 Các bước đáp ứng cho tháp WB bằng phương pháp SAT 15 Hình 3.3 Các bước đáp ứng cho tháp WW bằng phương pháp SAT 16 Hình 3.4 Đặc tính điển hình của các hệ thống điều khiển phản hồi 16 Hình 3.5 Các bước đáp ứng của WB sử dụng Mp 18 Hình 3.6 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng điều chỉnh Mp 19 Hình 3.7 Đồ thị Nyquist trên mặt phẳng GMGc 20 Hình 3.8 Biểu đồ Nyquist với đường tròn Gershgorin với độ lợi và pha biên giao nhau tương ứng với trong tần số và 22 Hình 3.9 Các bước đáp ứng cho tháp WB khi sử dụng phương pháp GMP 23 Hình 3.10 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp GMP 23 Hình 3.11 Điểm tối ưu của miền Gershgorin 24 Hình 3.12 Bước đáp ứng cho tháp WB khi sử dụng phương pháp GB 26 Hình 3.13 Bước đáp ứng cho tháp WW khi sử dụng phương pháp GB 27 Hình 3.14 Các bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp DLT 29 Hình 3.15 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp DLT 30 Hình 3.16 Các bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp OPM 32 Hình 3.17 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp OPM 33 Hình 3.18 Bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp Wang 2 36 Hình 3.19 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp Wang 2 37 Hình 3.20 Bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp Wang 1 38 Hình 3.21 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp Wang 1 39 Hình 4.1 Biểu diễn giá trị Ms 42 xiv
17. Hình 5.1 Hệ thống điều khiển đa vòng lặp 46 Hình 5.2 Ảnh hưởng của Mslow trên IAE 54 Hình 6.1A Đáp ứng vòng lặp kín 1 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập cho tháp VL 57 Hình 6.1B Đáp ứng vòng lặp kín 2 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập cho tháp VL 58 Hình 6.2A Đáp ứng vòng lặp kín 1 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập của mô hình ISPR 69 Hình 6.2B Đáp ứng vòng lặp kín 2 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập của mô hình ISPR 60 xv
18. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đồng thời sử dụng hợp lý nguồn năng lượng, nâng cao đời sống con người là mục tiêu hàng đầu của kỹ thuật. Hiện tại, có rất ít hệ thống điều khiển đa biến được phát triển trong ứng dụng công nghiệp. Một trong những lý do cho việc thiếu các phương pháp thiết kế là vì sự phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao, thiếu tính bền vững, ổn định. Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển PI/PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ” để nghiên cứu cho luận văn này. 1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu Mục đích của luận văn là nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển ổn định có thời gian trễ trong công nghiệp. Đánh giá được ưu điểm của của bộ điều khiển đề xuất so với các bộ điều khiển PID cổ điển để áp dụng vào quá trình nghiên cứu, đánh giá sản xuất. Tìm ra hướng nghiên cứu và phát triển mới cho hệ thống, cải thiện tính làm việc liên tục của các quá trình trong công nghiệp, nâng cao chất lượng sản xuất. 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Phân tích các hệ thống điều khiển điển hình, tìm ra những ưu điểm và nhược điểm của mỗi phương pháp, từ đó thiết kế các bộ điều khiển PI/PID nâng cao sự ổn định, áp dụng hợp lý và mang lại hiệu quả cao. Đề tài này đề cập đến phương pháp điều chỉnh RGA (Relative Gain Array) bằng cách nghiên cứu các tiêu chuẩn đánh giá sự ổn định và áp dụng phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink để minh chứng so với các bộ điều khiển khác. - 1 -
19. 1.4 Phương pháp nghiên cứu Dựa vào những nghiên cứu, đánh giá cho tới thời điểm hiện tại của các kết quả nghiên cứu khác có liên quan đến đề tài này trên thế giới và Việt Nam, cũng như trên cơ sở xác định ưu, nhược điểm của các phương pháp nghiên cứu, nhằm đưa ra một phương pháp thiết kế đề xuất để đáp ứng nhu cầu cho bộ điều khiển là sự ổn định bền vững. Đề tài này được thực hiện trên cơ sở kế thừa và phát triển mới. Tác giả sẽ cố gắng hoàn thành nghiên cứu này trên cơ sở phải thỏa mãn những tiêu chí cơ bản như sau: tính mới mẽ, tính sáng tạo, tính logíc, tính hệ thống, và tính ứng dụng 1.5 Tổng quan về bộ điều khiển PID 1.5.1 Điều khiển cổ điển Bộ điều khiển được gọi là bộ điều khiển vòng hở là loại điều khiển không có kết nối trực tiếp giữa đầu ra của hệ thống và các điều kiện thực tế, do đó hệ thống không và không thể bù lại được các tác động không mong muốn. Để tránh các vấn đề của bộ điều khiển vòng hở, lý thuyết điều khiển đề xuất khái niệm phản hồi. Một bộ điều khiển vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi để điều khiển trạng thái hoặc đầu ra của một hệ thống. Đầu ra của hệ thống y(t) được hồi tiếp qua một cảm biến đo lường để so sánh với giá trị đặt trước r(t). Bộ điều khiển lấy sai số e (độ chênh lệch) giữa giá trị đặt và tín hiệu đầu ra để thay đổi đầu vào u cho hệ thống dưới điều khiển P. Loại này là điều khiển vòng kín hay còn gọi là điều khiển hồi tiếp. Có hai hệ điều khiển là một đầu vào - một đầu ra (SISO) và hệ điều khiển nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO). Trong hệ thống MIMO các biến được biểu diễn qua vectơ thay vì các giá trị vô hướng đơn giản. Trong vài hệ thống tham số phân thán, các vectơ có thể là có có chiều vô hạn (các hàm đặc trưng). 1.5.2 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID là thiết kế điều khiển hồi tiếp được sử dụng nhiều nhất. PID là từ viết tắt của Proportional – Integral - Derivative (có nghĩa là tỉ lệ - tích phân - vi phân), đề cập đến 3 khâu hoạt động trên tín hiệu sai số để tạo ra một tín - 2 -
20. hiệu điều khiển. Nếu u(t) là tín hiệu điều khiển gửi tới hệ thống, y(t) là đầu ra đo được và r(t) là đầu ra mong muốn, và sai số là e(t) = r(t) – y(t). Đặc tính động học của vòng kín mong muốn đạt được bằng cách điều chỉnh 3 thông số KP, KI và KD thường lặp đi lặp lại bằng cách "điều chỉnh". Sự ổn định của hệ thống thường được sử dụng bằng khâu tỉ lệ. Khâu tích phân làm triệt tiêu sai số ở trạng thái xác lập, nhưng cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất nhất thời theo chiều hướng không được mong muốn, độ vọt lố sẽ tăng khi KI. Khâu vi phân được sử dụng để điều khiển nhằm giảm độ vọt lố và hình dạng của đáp ứng. Có ba xu thế điều chỉnh khác nhau để thiết kế bộ điều khiển PID, thứ nhất là xu thế đáp ứng đầu ra theo giá trị đặt, thứ hai là đáp ứng đầu ra theo nhiễu và cuối cùng là xu thế thỏa hiệp hai giá trị ở mức độ có thể chấp nhận được. 1.5.3 Hệ thống điều khiển hiện đại Lý thuyết điều khiển hiện đại sử dụng mô tả không gian trạng thái trong miền thời gian, một mô hình toán học của một hệ thống vật lý như là một cụm đầu vào, đầu ra và các biến trạng thái quan hệ với phương trình trạng thái bậc một. Để trừu tượng hóa từ số lượng đầu vào, đầu ra và trạng thái, các biến và biểu thức như vectơ và phương trình vi phân, phương trình đại số được viết dưới dạng ma trận. Biểu diễn không gian trạng thái cung cấp một cách thức ngắn gọn và thuật tiện cho việc phân tích hệ thống với nhiều đầu vào và đâu ra. 1.5.4 Các hệ thống điều khiển điển hình Có rất nhiều chiến lược điều khiển khác nhau đã được phát minh trong những năm qua. Những phát minh này đi từ những bộ điều khiển rất tổng quát từ bộ điều khiển PID, cho tới những bộ điều khiển khác dành riêng cho những loại hệ thống chuyên dụng. Vì giữa các vòng lặp trong bộ điều khiển có sự tương tác nên sinh ra nhiễu trong quá trình xử lý gây mất ổn định và giảm hiệu suất. Do đó, độ ổn định của bộ điều khiển là yêu cầu với bất kì phương pháp thiết kế nào nhằm đảm bảo hệ vòng kín hoạt động ổn định bền vững. Các bộ điều khiển riêng lẻ của hệ thống điều khiển đa vòng lặp trước hết được thiết kế là bằng cách bỏ qua sự tương tác giữa các vòng lặp điều khiển, và sau đó tất - 3 -
21. cả các thiết lập được làm lệch cộng hưởng cho đến khi sự tương tác cho đạt được tiêu chí ổn định. Phương pháp nổi tiếng của loại này là điều chỉnh BLT (Biggest Log Modulus) phương pháp được đề xuất bởi Luyben. Ban đầu, bộ điều khiển đơn SISO thu được bằng cách sử dụng thiết lập Ziegler-Nichols (Z -N), các điều chỉnh lại được thực hiện bằng cách điều chỉnh một tham số F, trong đó F được xác định thông qua một đồ thị Nyquist đa thức đặc trưng vòng lặp kín. Trong phương pháp thiết kế độc lập, mỗi bộ điều khiển được thiết kế dựa trên các yếu tố đường chéo tương ứng của quá trình đa biến, trong khi các yếu tố ngoài đường chéo đưa vào bộ điều khiển bằng cách xét các mối liên quan của quá trình xử lý, việc thiết kế này được đưa ra bởi một số tác giả như Grosdidier và Morari, Skogestad và Morari. Ưu điểm chính của thiết kế độc lập là khoảng dung sai lỗi được tự động kiểm soát. Phương pháp thiết kế này có hiệu quả khi hệ thống nằm trên đường chéo ma trận. Trong phương pháp thiết kế tuần tự, mỗi bộ điều khiển được thiết kế theo các bộ điều khiển thực thi. Về cơ bản, một bộ điều khiển trước hết được thiết kế qua việc xem xét các chọn lựa của cặp tín hiệu đầu vào - đầu ra và vòng lặp này là kín, sau đó bộ điều khiển thứ hai được thiết kế bằng cách xem xét các cặp đôi thứ hai và theo trình tự này để kết đôi các vòng lặp khác. Các phương pháp thiết kế tuần tự có thể được sử dụng cho các bộ điều khiển có tính tương tác phức tạp khi mà phương pháp thiết kế độc lập không thể hoạt động. Một bất lợi tiềm ẩn của phương pháp thiết kế này là khoảng dung sai không được đảm bảo khi các vòng lặp trước đó bị lỗi. Nếu các kết quả của đầu ra của hệ thống có thể được tách riêng theo thời gian thì phương pháp thiết kế tuần tự có thể được sử dụng hiệu quả cho việc thiết kế các bộ điều khiển đa vòng. Một phương pháp khác sử dụng rộng rãi là tự động điều chỉnh hồi tiếp. Phương pháp này thì đơn giản, vì nó trực tiếp kết hợp vòng lặp đơn tự động điều chỉnh hồi tiếp và điều chỉnh liên tục, trong đó hệ thống điều khiển đa vòng lặp được điều chỉnh theo trình tự của vòng lặp, vòng lặp thứ i đóng khi nó đã được điều chỉnh và vòng lặp thứ j cần được mở. Tuy nhiên, đáp ứng đầu ra yếu có thể được nhận thấy - 4 -
22. S K L 0 0 2 1 5 4