Chương 6: Chỉnh ₫ịnh bộ ₫iều khiển PID
Điều khiển quá trình
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
2Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Nội dung chương 6
6.1 Những vấn đề cơ bản
6.2 Các phương pháp dựa trên đặc tính
6.3 Các phương pháp dựa trên mô hình mẫu
6.4 Bù trễ sử dụng bộ dự báo Smith
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID © 2006 - HMS
Mục ₫ích bài giảng
Nắm được những vấn đề cơ bản về chỉnh
32 trang |
Chia sẻ: huongnhu95 | Lượt xem: 678 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Giáo trình Điều khiển quá trình - Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
định cỏc
tham số P/PI/PID
Nắm được những phương phỏp chỉnh định tham số bộ
điều khiển PID thụng dụng nhất trong điều khiển quỏ
trỡnh
Cú khả năng lựa chọn và ỏp dụng phương phỏp phự
hợp với một quỏ trỡnh thực tế
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
4Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
1. Những vấn ₫ề cơ bản
Cỏc phương phỏp tiếp cận (tổng quan phương phỏp
chỉnh định)
Vấn đề mụ hỡnh đối tượng sử dụng
Vấn đề lựa chọn kiểu bộ điều khiển
Đặc tớnh cỏc vũng điều khiển sử dụng bộ điều khiển
P/PI/PID
í nghĩa của việc thay đổi, hiệu chỉnh cỏc tham số
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
5Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Cỏc phương phỏp tiếp cận
Dựa trờn đặc tớnh của quỏ trỡnh (đặc tớnh thời gian
hoặc tần số): Ziegler–Nichols (I và II), phản hồi rơ-le
(Åstrửm và Họgglund),
Dựa trờn mụ hỡnh quỏ trỡnh:
– Tổng hợp theo mụ hỡnh mẫu (hệ kớn hoặc hệ hở): tổng hợp trực
tiếp (Chen và Seborg), chỉnh định lam-da (Dahlin), IMC
(Morari và Zafiriou), xấp xỉ đặc tớnh tần,
– Nắn đặc tớnh tần số (hệ kớn hoặc hệ hở): tối ưu mụ-đun
(Kessler), dự trữ biờn-pha (Åstrửm và Họgglund,...),...
– Tối ưu húa tham số (theo cỏc chỉ tiờu IAE, ISE, H∞,...)
Dựa trờn kinh nghiệm: Chỉnh định mờ, hệ chuyờn gia
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
6Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Cỏc mụ hỡnh quỏ trỡnh thụng dụng
Bậc nhất:
Bậc hai:
1( ) 1
skeG s s
θ
τ
−
=
+
5 2( ) 2 1
skeG s
s s
θ
τ τζ
−
=
+ +
'
5
1 2
( ) ( 1)( 1)
skeG s s s
θ
τ τ
−
=
+ +
2( )
skeG s s
θ−
=
4( ) ( 1)
skeG s s s
θ
τ
−
=
+
6 2
( 1)( )
2 1
s
ak s eG s
s s
θτ
τ τζ
−+=
+ +
'
6
1 2
( 1)( ) ( 1)( 1)
s
ak s eG s s s
θτ
τ τ
−+=
+ +
7 2
( 1)( )
2 1
s
ak s eG s
s s
θτ
τ τζ
−− +=
+ +
'
7
1 2
( 1)( ) ( 1)( 1)
s
ak s eG s s s
θτ
τ τ
−− +=
+ +
3( ) 1
skeG s s
θ
τ
−
= −
8
1 2
( ) ( 1)( 1)
skeG s s s
θ
τ τ
−
= − + 9 1 2( ) ( 1)( 1)
skeG s s s
θ
τ τ
−
= − −
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
7Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Quỏ trỡnh cú ₫ộng học bậc cao?
Ba cỏch tiếp cận:
1. Nhận dạng xấp xỉ về mụ hỡnh bậc thấp
2. Nhận dạng về mụ hỡnh bậc cao, sau đú xấp xỉ về mụ
hỡnh bậc thấp (xấp xỉ giảm bậc)
3. Thiết kế bộ điều khiển bậc cao, sau đú xấp xỉ về cấu
trỳc P/PI/PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
8Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Xấp xỉ theo phương phỏp Skogestad -
Luật chia ₫ụi (half-rule)
Khi cắt bỏ cỏc thành phần quỏn tớnh bậc cao của đối
tượng, cỏc hằng số thời gian quỏn tớnh bị cắt bỏ được
cộng vào hằng số thời gian trễ.
Riờng hằng số thời gian bị cắt bỏ lớn nhất được chia
đụi một nửa cộng vào hằng số thời gian trễ, một nửa
cộng vào hằng số thời gian quỏn tớnh được giữ lại nhỏ
nhất.
Đối với thành phần đỏp ứng ngược bị cắt bỏ, hằng số
thời gian đỏp ứng ngược cũng được cộng vào hằng số
thời gian trễ.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
9Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Cụng thức xấp xỉ
( )
( )
( )
01
1
1
1
m
i
n
pj
j
zi
s
k s
G s e
s
τ
τ
τ
=
=
−
− +
=
+
∏
∏
τp1 > τp2 > τp3
( )
1
skeG s s
θ
τ
−
=
+
2
1 2
p
p
ττ τ= +
2
0
3 12
n m
p
pj zi
j i
τθ τ τ τ
= =
= + + +∑ ∑
( )
( )( )1 21 1
skeG s s s
θ
τ τ
−
=
+ +
3
1 1 2 2, 2
p
p p
ττ τ τ τ= = +
3
0
4 12
n m
p
pj zi
j i
τθ τ τ τ
= =
= + + +∑ ∑
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
10Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Căn cứ chọn kiểu bộ ₫iều khiển?
Đặc điểm của quỏ trỡnh và thiết bị
– Động học của quỏ trỡnh
– Động học của thiết bị đo
– Đặc điểm của nhiễu đo
– ...
Mục đớch, yờu cầu của bài toỏn điều khiển
Vai trũ, đặc điểm của từng luật điều khiển
– Vai trũ ổn định hệ thống?
– Vai trũ triệt tiờu sai lệch tĩnh?
– Vai trũ cải thiện đặc tớnh động học?
– Tớnh nhạy cảm với nhiễu đo?
– ...
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
11Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Đặc tớnh
vũng ₫iều
khiển PI
(khi tăng kc)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
12Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Đặc tớnh vũng
₫iều khiển PI
(khi tăng τi)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
13Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Đặc tớnh vũng
₫iều khiển PID
(so sỏnh với PI)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
14Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Ảnh hưởng của thay ₫ổi tham số PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
15Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Chọn luật ₫iều khiển cho cỏc bài toỏn tiờu biểu
Vũng điều khiển lưu lượng: Động học của đối tượng phụ
thuộc chủ yếu vào van điều khiển, nhiễu đo cao tần => hầu
như chỉ cần sử dụng luật PI.
Vũng điều khiển mức: Quỏ trỡnh cú đặc tớnh tớch phõn, phộp
đo mức thường rất bị ảnh hưởng của nhiễu => luật P cho
điều khiển lỏng và luật PI cho điều khiển chặt.
Vũng điều khiển ỏp suất chất khớ: Động học của đối tượng
phụ thuộc chủ yếu vào thiết bị chấp hành, quỏ trỡnh cũng cú
đặc tớnh tớch phõn tương tự như bài toỏn điều khiển mức
nhưng cao hơn về độ chớnh xỏc => Luật PI là chủ yếu.
Vũng điều khiển nhiệt độ: Động học chậm, phộp đo ớt chịu
ảnh hưởng của nhiễu cao tần => sử dụng luật PID.
Vũng điều khiển thành phần: Tương tự như vũng điều khiển
nhiệt độ => thường sử dụng PID.
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
16Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
2. Cỏc phương phỏp dựa trờn ₫ặc tớnh
Ziegler-Nichols 1 (ZN-1): Dựa trờn đồ thị đỏp ứng quỏ
độ, cho hệ số tắt dần ≈ 1/4, độ quỏ điều chỉnh ≈ 25%
Ziegler-Nichols 2 (ZN-2): Dựa trờn đặc tớnh dao động
tới hạn (đặc tớnh tần số), cho chất lượng tương đương
ZN-1
Åstrửm-Họgglund (AH) Phản hồi rơ-le: Cải tiến cỏch
nhận dạng đặc tớnh dao động tới hạn của ZN-2 (chấp
nhận kộm chớnh xỏc hơn)
Tyreus-Luyben (TL): Cải tiến ZN-2, giảm hệ số khuếch
đại, tăng thời gian vi phõn và thời gian tớch phõn =>
bộ tham số “thận trọng hơn”
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
17Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Ziegler-
Nichols 1
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
18Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Ziegler-Nichols 2
1. Đặt hệ thống ở chế độ điều khiển bằng tay và đưa dần hệ
thống tới điểm làm việc, chờ hệ thống ổn định tại điểm làm
việc
2. Chuyển hệ thống sang chế độ điều khiển tự động với bộ
điều khiển P. Đặt hệ số khuếch đại kc tương đối bộ.
3. Tăng dần kc cho tới trạng thỏi dao động điều hũa => hệ số
khuếch đại tới hạn (ku) và chu kỳ dao động tới hạn (Tu).
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
19Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Åstrửm-Họgglund (phản hồi rơ-le)
4 /uk d aπ=
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
20Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Tyreus-Luyben
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
21Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Vớ dụ ₫iều khiển thiết bị trao ₫ổi nhiệt
1.210.75( ) (30 1)(5 1)(2 1)
seG s s s s
−
=
+ + +
Xấp xỉ về mụ hỡnh FOPDT theo “luật chia đụi”:
5.710.75( ) 32.5 1
seG s s
−
=
+
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
22Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
PI
PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
23Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Đọc tài liệu (sỏch và tài liệu điện tử) về cỏc phương phỏp:
Phương phỏp Haalman
Phương phỏp Dahlin (chỉnh định lamda)
Phương phỏp DS (Direct Synthesis)
Phương phỏp DS-d (Direct Synthesis with disturbance
rejection preference)
Phương phỏp IMC (Internal Model Control)
Phương phỏp xấp xỉ đặc tớnh tần số (xem thờm tạp chớ
Kỹ thuật điều khiển, 6/2006 và Kỷ yếu Hội nghị KH 50
năm thành lập trường ĐHBKHN, phõn ban Điện)
3. Cỏc phương phỏp mụ hỡnh mẫu
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
24Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
3. Cỏc phương phỏp mụ hỡnh mẫu
( )( ) ( )
L sK s G s⇒ =
( ) ( )( ) 1 ( ) ( )
K s G sT s K s G s= +
Cho mụ hỡnh mẫu (mụ hỡnh mong muốn) của hệ hở/hệ kớn:
( ) ( ) ( )L s K s G s=
( )( ) ( )(1 ( ))
T sK s G s T s⇒ = −
( )( ) ( )
L sK s G s⇒ ≈
( )( ) ( )(1 ( ))
T sK s G s T s⇒ ≈ −
hoặc:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
25Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Cỏc vấn ₫ề cần giải quyết
Hàm truyền đạt nhận được khụng cú cấu trỳc PI/PID: Xấp
xỉ bộ điều khiển hoặc chọn mụ hỡnh mẫu và mụ hỡnh đối
tượng phự hợp
Hệ kớn cú thể khụng ổn định nội: Chọn mụ hỡnh mẫu thớch
hợp, mụ hỡnh đối tượng thụng thường khụng cú điểm cực
hoặc điểm khụng nằm bờn phải trục ảo
Hệ dễ nhạy cảm với sai lệch mụ hỡnh: Chọn mụ hỡnh mẫu
theo hướng “thận trọng”
Túm lại: Hai vấn đề then chốt là chọn mụ hỡnh mẫu phự
hợp và phương phỏp xấp xỉ mụ hỡnh!
Cỏc dạng mụ hỡnh mẫu thường được lựa chọn:
1( ) s
o
L s es
θ
τ
−= ( ) 1
s
c
eT s s
θ
τ
−
=
+ 2
( )
2 1
s
c c
eT s
s s
θ
τ τ ζ
−
=
+ +
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
26Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Vớ dụ ₫iều khiển thiết bị trao ₫ổi nhiệt
1.210.75( ) (30 1)(5 1)(2 1)
seG s s s s
−
=
+ + +
Xấp xỉ về mụ hỡnh SOPDT theo “luật chia đụi”:
2.210.75ˆ( ) (30 1)(6 1)
seG s s s
−
=
+ +
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
27Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Kết quảmụ phỏng với luật PID
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
28Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Cải thiện chất lượng bằng bộ lọc giỏ trị ₫ặt
(cho trường hợp sử dụng DS-d)
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
29Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
4. Bự trễ với bộ dự bỏo Smith
Mụ hỡnh lý tưởng của đối tượng:
Vấn đề: Đầu ra đo được bị chậm trễ, ảnh hưởng lớn tới
chất lượng điều khiển
í tưởng khắc phục: Dự bỏo đầu ra khụng cú trễ dựa
trờn mụ hỡnh
0( ) ( ) sG s G s e θ−=
0( ) ( ) sG s G s e θ−=
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
30Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
4. Bự trễ với bộ dự bỏo Smith
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0
ˆ ( )
( )
s
s
y y y y e
y y y e
y y y
y
θ
θ
−
−
= + −
≈ + −
≈ + −
=
Giả sử đầu ra thực khụng cú trễ là y0:
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
31Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Vớ dụmụ phỏng
Chỉnh định bộ PID theo phương phỏp xấp xỉ đỏp ứng tần số
10
3( ) ( 1)
seG s
s
−
=
+
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
32Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS
Nhiệm vụ luyện tập ở nhà
Sử dụng SIMULINK và mụ phỏng, thử nghiệm cỏc
phương phỏp dựa trờn đặc tớnh
Đọc tài liệu về cỏc phương phỏp dựa trờn mụ hỡnh mẫu,
thử nghiệm mụ phỏng trờn MATLAB
Đọc tài liệu đi kốm và sử dụng 3 chương trỡnh phần
mềm đó nhận được để tỡm hiểu luyện tập cỏc phương
phỏp chỉnh định khỏc
CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- giao_trinh_dieu_khien_qua_trinh_chuong_6_chinh_dinh_bo_dieu.pdf