Bài giảng Chỉnh định bộ điều khiển PID

Chương 6: Chỉnh ₫ịnh bộ ₫iều khiển PID Điều khiển quỏ trỡnh 2Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Nội dung chương 6 6.1 Những vấn đề cơ bản 6.2 Cỏc phương phỏp dựa trờn đặc tớnh 6.3 Cỏc phương phỏp dựa trờn mụ hỡnh mẫu 6.4 Bự trễ sử dụng bộ dự bỏo Smith 3Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Mục ₫ớch bài giảng ƒ Nắm được những vấn đề cơ bản về chỉnh định cỏc tham số P/PI/PID ƒ Nắm được những phương phỏp chỉnh định tham số bộ điều khiển PID thụng dụng nhất trong điều khiển quỏ trỡnh ƒ Cú khả năng lựa chọn và ỏp dụng phương phỏp phự hợp với một quỏ trỡnh thực tế 4Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS 1. Những vấn ₫ề cơ bản ƒ Cỏc phương phỏp tiếp cận (tổng quan phương phỏp chỉnh định) ƒ Vấn đề mụ hỡnh đối tượng sử dụng ƒ Vấn đề lựa chọn kiểu bộ điều khiển ƒ Đặc tớnh cỏc vũng điều khiển sử dụng bộ điều khiển P/PI/PID ƒ í nghĩa của việc thay đổi, hiệu chỉnh cỏc tham số 5Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Cỏc phương phỏp tiếp cận ƒ 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),… ƒ 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∞,...) ƒ Dựa trờn kinh nghiệm: Chỉnh định mờ, hệ chuyờn gia 6Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Cỏc mụ hỡnh quỏ trỡnh thụng dụng ƒ Bậc nhất: ƒ Bậc hai: 1( ) 1 skeG s s θ τ − = + 5 2 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 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 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 − = − − 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 8Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Xấp xỉ theo phương phỏp Skogestad - Luật chia ₫ụi (half-rule) ƒ 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. ƒ 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. ƒ 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. 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 = = = + + +∑ ∑ 10Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Căn cứ chọn kiểu bộ ₫iều khiển? ƒ Đặc điểm của quỏ trỡnh và thiết bị – Động học của quỏ trỡnh – Động học của thiết bị đo – Đặc điểm của nhiễu đo – ... ƒ Mục đớch, yờu cầu của bài toỏn điều khiển ƒ 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? – ... 11Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Đặc tớnh vũng ₫iều khiển PI (khi tăng kc) 12Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Đặc tớnh vũng ₫iều khiển PI (khi tăng τi) 13Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Đặc tớnh vũng ₫iều khiển PID (so sỏnh với PI) 14Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Ảnh hưởng của thay ₫ổi tham số PID 15Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Chọn luật ₫iều khiển cho cỏc bài toỏn tiờu biểu ƒ 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. ƒ 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. ƒ 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. ƒ Vũng điều khiển nhiệt độ: Động học chậm, phộp đo ớt chịu ảnh hưởng của nhiễu cao tần => sử dụng luật PID. ƒ Vũng điều khiển thành phần: Tương tự như vũng điều khiển nhiệt độ => thường sử dụng PID. 16Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS 2. Cỏc phương phỏp dựa trờn ₫ặc tớnh ƒ 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% ƒ Ziegler-Nichols 2 (ZN-2): Dựa trờn đặc tớnh dao động tới hạn (đặc tớnh tần số), cho chất lượng tương đương ZN-1 ƒ 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) ƒ 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” 17Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Ziegler- Nichols 1 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). 19Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Åstrửm-Họgglund (phản hồi rơ-le) 4 /uk d aπ= 20Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Tyreus-Luyben 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 − = +  22Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS PI PID 23Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Đọc tài liệu (sỏch và tài liệu điện tử) về cỏc phương phỏp: ƒ Phương phỏp Haalman ƒ Phương phỏp Dahlin (chỉnh định lamda) ƒ Phương phỏp DS (Direct Synthesis) ƒ Phương phỏp DS-d (Direct Synthesis with disturbance rejection preference) ƒ Phương phỏp IMC (Internal Model Control) ƒ 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 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: 25Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Cỏc vấn ₫ề cần giải quyết ƒ 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 ƒ 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 ƒ Hệ dễ nhạy cảm với sai lệch mụ hỡnh: Chọn mụ hỡnh mẫu theo hướng “thận trọng” ƒ Túm lại: Hai vấn đề then chốt là chọn mụ hỡnh mẫu phự hợp và phương phỏp xấp xỉ mụ hỡnh! ƒ 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 − = + + 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 − = + + 27Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Kết quảmụ phỏng với luật PID 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) 29Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS 4. Bự trễ với bộ dự bỏo Smith ƒ Mụ hỡnh lý tưởng của đối tượng: ƒ Vấn đề: Đầu ra đo được bị chậm trễ, ảnh hưởng lớn tới chất lượng điều khiển ƒ 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−=   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: 31Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Vớ dụmụ phỏng ƒ Chỉnh định bộ PID theo phương phỏp xấp xỉ đỏp ứng tần số 10 3( ) ( 1) seG s s − = + 32Chương 6: Chỉnh định bộ điều khiển PID â 2006 - HMS Nhiệm vụ luyện tập ở nhà ƒ Sử dụng SIMULINK và mụ phỏng, thử nghiệm cỏc phương phỏp dựa trờn đặc tớnh ƒ Đọc tài liệu về cỏc phương phỏp dựa trờn mụ hỡnh mẫu, thử nghiệm mụ phỏng trờn MATLAB ƒ 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