ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - HOÀNG THỊ HẢI YẾN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI, ỨNG DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Chuyên nghành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN VĂN VỲ THÁI NGUYÊN – NĂM 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Hoàng Thị Hải Yến Sinh ngày: 16 tháng năm 1989 Học viên lớp cao học khóa 15 - ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên – Đại học Thái ngun Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Học viên Hồng Thị Hải Yến ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà trường, cô giáo, thầy giáo khoa Điện, môn Tự động hóa Kỹ thuật điều khiển, khoa sau Đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thầy giáo, giáo trung tâm thí nghiệm trường tạo điều kiện giúp đỡ suốt khóa học hồn thành luận văn Để thực thành công luận văn hướng dẫn, bảo tận tình thầy giáo cán hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Văn Vỵ , người giúp đỡ tận tình, góp ý cung cấp ý tưởng dẫn tài liệu suốt trình làm luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, thầy cô giáo trường Tuy nhiên, kiến thức kinh nghiệm có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong muốn nhận bảo thầy giáo, cô giáo góp ý bạn đồng nghiệp để tác giả tiếp tục hồn thiện sản phẩm Thái Nguyên ngày … tháng 11 năm 2014 Hoàng Thị Hải Yến MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt v Danh mục bảng biểu vi Danh mục hình vẽ đồ thị vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1 VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1.1 Khái niệm trình điều khiển trình 1.1.2 Vai trò điều khiển q trình cơng nghiệp 1.1.3 Nhiệm vụ điều khiển q trình cơng nghiệp 1.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển trình 1.2.2 Các phần tử hệ điều khiển trình 1.2.2.1 Thiết bị điều khiển 1.2.2.2 Thiết bị đo 1.2.2.3 Thiết bị chấp hành 13 1.3 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 15 1.3.1 Bộ điều khiển PID tương tự ( PID kinh điển) 15 1.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ P 15 1.3.1.2 Bộ điều chỉnh tích phân I 16 1.3.1.3 Bộ điều chỉnh vi phân D 18 1.3.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI 18 1.3.1.5 Bộ điều khiển PID 20 1.3.2 Bộ điều khiển PID số 22 1.3.3 Bộ điều khiển PID thích nghi 25 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 27 CHƯƠNG 28 THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 28 2.1 LỰA CHỌN VÀ MƠ TẢ TỐN HỌC CHO Q TRÌNH 29 2.1.1 Lựa chọn đối tượng điều khiển 29 2.1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bình bao 31 2.1.3 Mơ tả tốn học cho đối tượng 32 2.1.4 Xây dựng hàm truyền cho thành phần hệ thống 34 2.1.4.1 Thiết bị đo 34 2.1.4.2 Thiết bị chấp hành 37 2.1.4.3 Bình bao 42 2.1.5 Hàm truyền hệ thống 44 2.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 45 2.2.1 Các phương pháp tổng hợp PID 46 2.2.1.1 Tổng hợp điều khiển sở hàm độ h(t) 46 2.2.1.2 Tổng hợp điều khiển PID miền tần số 48 2.2.2 Tổng hợp điều khiển áp suất bao 51 2.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BẰNG MÔ PHỎNG 52 2.3.1 Sơ đồ mô Matlab – Simulink 52 2.3.2 Các kết mô 52 2.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BẰNG THỰC NGHIỆM 55 2.4.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển áp suất 55 2.4.2 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 57 2.4.3 Các kết thực nghiệm 60 2.4.4 So sánh với kết mô 61 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 62 CHƯƠNG 64 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI 64 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 64 3.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI 67 3.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển PID thích nghi 68 3.2.2 Tính tốn tham số điều khiển 68 3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 73 3.3.1 Mô hệ thống 73 3.3.2 Kết mô 74 3.3.3 Đánh giá kết mô 79 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 Tài liệu tham khảo 81 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ X(t) Tín hiệu vào hệ thống gọi tín hiệu đặt Y(t) Tín hiệu đầu hệ thống U(t) Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng C(t) Tín hiệu phản hồi S Đối tượng I Khâu nhận dạng TT Thiết bị tính tốn A Cơ cấu thích nghi SISO Tín hiệu có đầu vào đầu 10 QT Quá trình điều khiển 11 CH Cơ cấu chấp hành 12 ĐK Thiết bị điều khiển 13 TBĐ Thiết bị đo 14 SP Giá trị đặt 15 CO Tín hiệu điều khiển 16 MV Biến điều khiển 17 CV Biến điều khiển 18 PM Tín hiệu đo 19 KP Hệ số khuyếch đại 20 KI Hệ số tích phân 21 KD Hệ số vi phân Các chữ viết tắt STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ FC Fail- closed- van đóng an tồn AO Air-to-open- van đóng an tồn FO Fail-open- van mở an toàn AC Air-to-close- van mở an tồn PID Bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân Measurementdevice Thiết bị đo Sensor Cảm biến Sensor element Phần tử cảm biến, đầu đo Singnal conditioning Điều hòa tín hiệu 10 Transmitter Bộ chuyển đổi đo chuẩn 11 Transducer Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng Số hiệu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Nội dung bảng biểu Trang Bảng 1.1 Thang đo nhiệt độ 10 Bảng 2.1 Danh mục thiết bị thực nghiệm 56 Số hiệu DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Nội dung Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trình Hình 1.2 Cấu trúc thiết bị đo trình Hình 1.3 Cấu trúc thiết bị chấp hành 14 Hình 1.4 Sơ đồ khối điều chỉnh tỉ lệ 15 vii Hình 1.5 Sơ đồ khối điều chỉnh tích phân 16 Hình 1.6 Sơ đồ khối điều chỉnh vi phân 17 Hình 1.7 Các đặc tính quy luật điều chỉnh tỉ lệ tích phân 19 Hình 1.8 Sơ đồ khối điều khiển PID tương tự 20 Hình 1.9 Sơ đồ khối điều khiển số 24 Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID thích nghi 26 Hình 2.1 Sơ đồ khối vòng hệ điều khiển q trình 31 Hình 2.2 Cấu trúc thiết bị đo trình 34 Hình 2.3 Một số hình ảnh thiết bị đo cơng nghiệp 35 Hình 2.4 Cấu trúc thiết bị chấp hành 37 Hình 2.5 Cấu trúc tiêu biểu van cầu khí nén 38 Hình 2.6 Biểu tượng ký hiệu cho kiểu tác động van điều 39 khiển Hình 2.7 Bao nhà máy nhiệt điện 42 Hình 2.8 Cấu trúc mơ tả tốn học tồn hệ thống 44 Hình 2.9 Đồ thị độ 46 Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển 48 Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bao nhà 50 máy nhiệt điện Hình 2.12 Cấu trúc mơ điều khiển áp suất bao 51 Hình 2.13 Áp suất hệ thống bao với điều khiển PID (áp 52 suất 1,7at) Hình 2.14 Áp suất hệ thống bao với điều khiển PID (áp 53 suất 1,7at xuống 1,2at) Hình 2.15 Cấu trúc thí nghiệm điều khiển áp suất bao 54 Hình 2.16 Bình mức thí nghiệm điều khiển áp suất 54 Hình 2.17 Giao diện thí nghiệm điều khiển áp suất bao 55 Hình 2.18 Giao diện kết thí nghiệm điều khiển áp suất bao 55 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/  dk  0.000056 p e  p e x 21 22  dt  s11   dk  0.000056  p e  e x p s22 21 22 2  dt   dk F 0.000056  2p1 2e  p22  ref   s33  dt e u Cuối ta luật chỉnh định cho tham số k1 , k2 , kF sau : '   k1    p2 1e2  p22e2 x1dt  k1 0 s 11    p22e2 x 2dt  k 0 k '     p21e2  s22   k  F   p2 1e2  p22e2  k F 0 '   s33 uref 3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 3.3.1 Mô hệ thống Đề đánh giá chất lượng hệ thống, sử dụng phần mền MATLAB SIMULINK để mô Chọn ma trận: 10  Q 0 10 Giải phương trình Lyapunov : AmT P  PA  Sử dụng lệnh Matlab : Q 5 600 Ta ma trận P    5 66  Sơ đồ mô MATLAB SIMULINK hệ điều khiển PID thích nghi hình 3.4 Hình 3.4 Sơ đồ mô 3.3.2 Kết mô Hàm truyền đối tượng ban đầu kể van điều khiển G dt s   50 0.05 0.05  50 0.025s  1 18s  150s  1 0.025s  1 900s  68s  a) Trường hợp 01 Xét lượng hệ hệ số khuếch đại đối tượng bị thay đổi từ : Kdt = 0.05 đến Kdt = 0.1 Wdt s   50 0.1 0.025s  1 18s  150s  1 Khi hệ số khuyếch đại đối tượng thay đổi hệ số điều khiển thay đổi theo, kết đặc tính hệ ln bám đặc tính mơ hình mẫu 1.4 Dau cua doi tuong Dau cua mo hinh mau 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 5000 10000 15000 time (samples) Hình 3.5 : Lượng hệ lượng mơ hình mẫu 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 5000 10000 15000 time (samples) Hình 3.6 Sai lệch đầu đối tượng đầu mơ hình mẫu -2 k1 -4 -6 -8 20 k2 -20 5000 10000 15000 -40 5000 10000 15000 10000 15000 kF 20 10 0 5000 time (samples) Hình 3.7 Quá trình thích nghi tham số k1,k ,k F b) Trường hợp 02 Xét lượng hệ số thời gian thay đổi : Wdt s   50 0.05 0.025s  10s  160s  1 1.8 1.6 Dau cua he Dau cua mo hinh mau 1.2 y(t) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 5000 10000 time (samples) Hình 3.8: Lượng hệ lượng mô hình mẫu 15000 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 5000 10000 15000 time (samples) Hình 3.9: Sai lệch đầu đối tượng đầu mơ hình mẫu k1 -5 -10 5000 10000 15000 5000 10000 15000 10000 15000 10 K2 -10 -20 kF 10 0 5000 time (samples) Hình 3.10 Q trình thích nghi tham số k1,k ,k F c Đáp ứng hệ PID PID thích nghi Hình 3.11 Đáp ứng hệ lượng đặt số Dap ung cua he PID va PIDtich nghi P P P P 1.8 1.6 - thich nghi PID mau dat 1.4 Ap suat 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 400 600 800 1000 1200 Thoi gian 1400 1600 1800 2000 Hình 3.12 Đáp ứng hệ lượng đặt thay đổi 3.3.3 Đánh giá kết mô - Khi hệ số khuếch đại, số thời gian đối tượng thay đổi tham số điều khiển PID thay đổi theo, kết lượng hệ bám sát lượng mơ hình mẫu, tức hệ thoả mãn tiêu đặt trước - Từ kết Hình 3.11 Hình 3.12, đánh giá hệ PID thích nghi có chất lượng động tĩnh tốt hệ PID : + Lượng điều chỉnh nhỏ + Thời gian q độ ngắn + Khơng có dao động + Sai lệch tĩnh nhỏ 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương giải vấn đề sau : - Đã giới thiệu tổng quan tồn PID, hướng khắc phục tồn Giới thiệu hệ Điều khiển thích nghi phạm vi ứng dụng - Đề xuất sử dụng hệ PID thích nghi vào điều khiển ổn định áp suất bao để nâng cao chất lượng điều khiển - Tổng hợp điều khiển PID thích nghi - Tiến hành mô để đánh giá chất lượng hệ Qua kết mô phỏng, nhận thấy hệ PID thích nghi khắc phục tồn hệ PID sử dụng để điều khiển ổn định áp suất bao hơi, đáp ứng yêu cầu trình sản xuất KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1.Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển cho đối tượng điều khiển áp suất hệ thống mức nước bao Nhiệm vụ cụ thể nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển áp suất bao điều khiển PID thích nghi Với mục tiêu đề nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan điều khiển trình Chương 2: Thiết kế PID điều khiển trình Chương 3: Thiết kế điều khiển PID thích nghi Kết luận văn đạt là: - Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất hệ thống mức nước bao mô hình lò trung tâm thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm Với kết cho thấy tính đắn thuật tốn điều khiển phương diện mơ thực nghiệm - Kết thực nghiệm chưa đề cập đến thay đổi tham số đối tượng nhiễu tác động Vì để đáp ứng với hệ thực, tác giả đề xuất thiết kế điều khiển điều khiển PID thích nghi Với kết mô cho thấy chất lượng điều khiển tốt so với điều khiển PID Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu chưa nhiều, kiến thức kinh nghiệm thực tế có hạn nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau đặc biệt áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất đáp ứng yêu cầu chất lượng đặt Đề nghị sở đào tạo cho phép tác giả bảo vệ kết nghiên cứu thực Tài liệu tham khảo [1] Phạm Công Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động [2] Nguyễn Trọng Thuần: Điều khiển lôgic ng dng [3] Nguyễn Thơng Ngô, (1998), Lý thuyết điều khiển tự động đại, Nhà xuất Khoa học vµ kü tht, Hµ Néi [4] Đồn Quang Vinh: Điều khiển số [5] Nguyễn Phùng Quang: Matlab &Simulink [6] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (1996), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB KHKT Hà Nội [7] Nguyễn Thị Phương Hà (1996), Điều khiển tự động, NXB KHKT Hà Nội [8] Trần Xuân Minh, Nguyễn Như Hiển: '' Tổng hợp hệ điện " NXB KH & KT, 2011 [9] Ästrom, K.J and Wittenmark, B (1995), Adaptive Control‟, Addison-Wesley Publising Company ... cao chất lượng hệ điều khiển trình cần thiết cần tập trung nghiên cứu để đáp ứng tốt chất lượng điều khiển trình Mục tiêu Nâng cao chất lượng hệ điều khiển trình điều khiển PID thích nghi Đối... quan điều khiển trình - Tổng hợp điều khiển PID cho mơ hình vật lý phòng thí nghiêm tiến hành đánh giá kết phương pháp điều khiển - Thiết kế điều khiển PID thích nghi để nâng cao chất lượng hệ điều. .. tượng trình làm việc, tham số đối tượng thay đổi hệ thống ổn định chất lượng điều khiển khơng đáp ứng u cầu Vì vậy, việc nghiên cứu Thiết kế điều khiển PID thích nghi, ứng dụng nâng cao chất lượng