Nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN MINH HÙNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BỀN VỮNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ Chuyên ngành: Tự Động Hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - NĂM 2012 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: T.S. Nguyễn Văn Minh Trí Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hồng Anh Phản biện 2: TS. Võ Như Tiến Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 09 tháng 6 năm 2012. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại : - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu , Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, tự động hĩa quá trình sản xuất ngày càng chiếm vị trí quan trọng quá trình phát triển của nền cơng nghiệp thế giới. Tính tự động hĩa cao cùng với việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng, nâng cao năng suất lao động, nâng cao chất lượng và sản lượng sản phẩm, bảo vệ mơi trường, nâng cao đời sống con người đang là mục tiêu hàng đầu của quá trình cơng nghiệp hĩa, hiện đại hĩa. Việc nghiên cứu tìm ra một bộ điều khiển mới đáp ứng đầy đủ quá trình làm việc của hệ thống, nâng cao chất lượng điều khiển và đơn giản trong vận hành là yêu cầu cấp thiết để phát triển nền cơng nghiệp hiện đại. Các quá trình nhiệt trong cơng nghiệp địi hỏi yêu cầu chất lượng điều khiển cao do tính phi tuyến của nĩ, mặt khác, các phương pháp điều khiển cũ khơng thể đáp ứng đầy đủ các quá trình vận hành của thiết bị. 2. Mục đích nghiên cứu Nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ nĩi riêng và các hệ thống phi tuyến quán tính bậc nhất cĩ trễ trong cơng nghiệp nĩi chung. Đánh giá được những ưu điểm của bộ điều khiển PID bền vững so với những bộ điều khiển PID cổ điển, lựa chọn phương pháp hợp lý để áp dụng vào quá trình nghiên cứu và sản xuất. Tìm ra hướng phát triển mới cho việc nghiên cứu bộ điều khiển PID, cải thiện tính làm việc liên tục của các quá trình trong cơng nghiệp, nâng cao chất lượng sản xuất. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tập trung nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng cho bộ điều khiển PID bền vững, áp dụng cho các hệ thống phi tuyến trong cơng nghiệp. Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế PID bền vững cho lị nhiệt điển hình. Mơ phỏng trên nền Matlab-Simulink quá trình làm việc của hệ thống lị nhiệt ở nhiều vùng khác nhau, tùy thuộc tình hình sản xuất. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết xây dựng và nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững. Nghiên cứu chỉnh định tham số bộ điều khiển PID cổ điển. 2 Nghiên cứu lựa chọn thơng số hợp lý cho bộ điều khiển PID bền vững. Nghiên cứu mơ phỏng trên phần mềm Matlab Simlink. Nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình lị nhiệt trong cơng nhiệp. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Bộ điều khiển được thiết kế là bộ điều khiển PID bền vững theo phương pháp mới, được kiểm chứng bằng những phương pháp đảm bảo tính hoạt động ổn định của hệ thống . Với kết quả mơ phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink để thấy được bộ điều khiển PID mới đã bám theo tốt tín hiệu đặt hệ thống, hoạt động ổn định trong nhiều vùng khác nhau của hệ thống. Nâng cao chất lượng tín hiệu so với các bộ điều khiển cổ điển khác. Những kết quả nghiên cứu và thực nghiệm trên mơ hình của đề tài là tài liệu tham khảo trong nghiên cứu ứng dụng vào quá trình sản xuất và tạo tiền đề cho việc phát triển đề tài ở mức cao hơn, áp dụng cho các hệ thống thực tế. Phát triển được một bộ điều khiển PID áp dụng cho các hệ thống phi tuyến quán tính bậc nhất cĩ trễ trong cơng nghiệp với mơ hình xác định. 6. Cấu trúc luận văn Luận văn nghiên cứu bao gồm 4 chương. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRONG CƠNG NGHIỆP. Nội dung tập trung giới thiệu các hệ thống tự động hĩa sản xuất trong cơng nghiệp, với đặc điểm hàm truyền đạt là hệ quán tính bậc nhất cĩ trễ. Mơ hình hĩa hệ thống, đưa ra hàm truyền đạt chung của hệ thống. CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID VÀ BỘ PID MỚI. Nội dung nghiên cứu các bộ điều khiển quá trình trong cơng nghiệp. Phân tích lựa chọn tham số bộ PID cổ điển. Ứng dụng bộ điều khiển PID mới cho hệ thống. CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG CƠNG THỨC TÍNH CHỌN THAM SỐ PID MỚI CHO HỆ THỐNG LỊ NHIỆT TRONG CƠNG NGHIỆP Áp dụng bộ điều khiển PID mới cho hệ thống lị nhiệt. Lựa chọn các vùng làm việc của hệ thống và thơng số bộ PID mới tương ứng. 3 CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN THAM SỐ C TỪ CÁC THƠNG SỐ CỦA HỆ THỐNG PHI TUYẾN QUÁN TÍNH BẬC NHẤT CĨ TRỄ Tính tốn tham số C từ các tham số của hệ thống. Xây dựng mơ phỏng hệ thống trên nền Matlab-Simulink. Đánh giá chất lượng bộ điều khiển PID mới so với phương pháp chỉnh định tham số PID cổ điển. 4 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRONG CƠNG NGHIỆP 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG 1.2.1. Sơ đồ cấu trúc Các hệ thống quán tính bậc nhất trong cơng nghiệp thường cĩ dạng hàm truyền đạt như sau: 1 .)( + = − Ts eK sH Ls Trong đĩ: L: thời gian trễ của hệ thống; T: thời gian quán tính của hệ thống; K: hệ số khuếch đại. Các thơng số của hệ thống được tính tốn từ mơ hình thực tế, với một hệ thống phi tuyến, các thơng số này thay đổi liên tục trong quá trình sản xuất, tùy thuộc vào tình hình sản xuất, quá trình cơng nghệ, tác động của nhiễu…. Với các thơng số {K,T} khi thay đổi sẽ nhận giá trị mới nằm trong dãi hoạt động ổn định của hệ thống, với hệ số thời gian trễ của hệ thống L là cố định. Để thực hiện quá trình điều khiển hệ thống, đưa hệ thộng làm việc ở vùng ổn định, phải tùy thuộc vào đặc trưng của quá trình sản xuất và số lượng biến điều khiển. Với các quá trình như chưng cất, sản xuất xi măng ta thực hiện quá trình điều khiển liên tục, các quá trình sản xuất như đĩng bao, đĩng chai, lắp ráp thì ta thực hiện điều khiển rời rạc, các quá trình như trộn bê tơng, phản ứng hĩa chất, nung sản phẩm thì ta thực hiện quá trình điều khiển theo mẻ. Mục đích của việc điều khiển là đảm bảo các mục tiêu sau: + Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo các điều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy mĩc, vận hành thuận tiện. + Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản xuất theo ý muốn, giữ các thơng số chất lượng sản phẩm biến động trong giới hạn quy định. + Đảm bảo vận hành an tồn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy mĩc, thiết bị và mơi trường. + Bảo vệ mơi trường: giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu. + Nâng cao hiệu quả kinh tế và tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân cơng, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. 5 1.2.2. Mơ hình hĩa hệ thống Mục đích chính của việc mơ hình hĩa hệ thống là: + Hiểu rõ hơn về quá trình sản xuất cơng nghệ. + Thiết kế cấu trúc điều khiển và lựa chọn bộ điều khiển hợp lý. + Tính tốn và chỉnh định các tham số của bộ điều khiển. + Xác định điểm làm việc tối ưu cho hệ thống + Mơ phỏng và đào tạo người vận hành hệ thống. 1.3 KẾT LUẬN Với một hệ thống phi tuyến, quá trình hoạt động hệ thống thường xuyên thay đổi do tác động nhiều yếu tố, yêu cầu đặt ra là cần thiết kế mộ hệ điều khiển hệ thống, đảm bảo quá trình điều khiển và theo dõi hệ thống, nâng cao chất lượng và ổn định quá trình sản xuất. 6 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID VÀ BỘ PID MỚI 2.1 NHỮNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG CƠNG NGHIỆP Trong hệ thống cơng nghiệp sử dụng nhiều bộ điều khiển khác nhau, trong đĩ bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi với cấu tạo gồm 3 khâu điều khiển cơ bản: khâu tỉ lệ - P, khâu tích phân - I, khâu vi phân - D. Sự kết hợp của 3 luật điều khiển này tạo nên nhiều bộ điều khiển khác nhau và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thực nghiệm như: P, PI, PD và PID. Tuy nhiên, cĩ thể thấy rằng, bộ điều khiển PID thực hiện quá trình điều khiển một cách liên tục theo sai lệch, dạng đơn giản nhất của bộ điều khiển theo sai lệch là bộ điều khiển 2 vị trí On-Off. 2.1.1. Bộ điều khiển On - Off 2.1.2 Bộ điều khiển tỉ lệ - P 2.1.3. Bộ điều khiển PI 2.1.4. Bộ điều khiển PID 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID Cĩ nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID khi đã biết mơ hình tốn học hoặc dựa vào đặc tính thực nghiệm của hệ thống khi chưa biết mơ hình tốn học. Một số phương pháp thường được sử dụng cho các hệ thống quán tính bậc 1 cĩ trễ như sau: + Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols. + Phương pháp Chien-Hrones-Reswick. 2.2.1. Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols được sự dụng cho các bộ điều khiển P, PI và PID. Phương pháp này chỉ dùng để điều khiển nhưng khơng dùng được để theo dõi quá trình. Vì vậy phương pháp này thường được dùng tốt để giảm các nhiễu loạn hệ thống, nhưng lại khĩ khăn khi cĩ sự thay đổi tham số hệ thống. Phương pháp này áp ụng cho các đối tượng cĩ đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc cĩ dạng chữ S như: nhiệt độ lị nhiệt, tốc độ động cơ…cĩ dạng hàm truyền đạt như sau: 1 .)( + = − Ts eK sH Ls 2.2.1.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất Thơng số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau: 7 Bảng 2.1: Các tham số của bộ PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất Thống số Bộ điều khiển KP TI TD P LK T . - - PI LK T . .9,0 3,0 L - PID song song LK T . .2,1 L.2 L.5,0 PID nối tiếp LK T . .6,0 L L 2.2.1.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai Phương pháp này sử dụng cho các hệ thống chưa biết trước mơ hình tốn học. Tất cả quá trình đều dựa vào việc đo lường để nhận biết. Dựa trên Kth và Tth, Ziegler-Nichols đã đưa ra bảng xác định thơng số bộ điều khiển như sau: Bảng 2.2: Các tham số bộ PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2. Thơng số Bộ điều khiển KP TI TD P thK.5,0 - - PI thK.45,0 thT.833,0 - PID song song thK.6,0 thT5,0 thT125,0 PID nối tiếp thK.6,0 thT 6 thT 1 2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR) Phương pháp CHR cũng là phương pháp được sử dụng để điều chỉnh tham số bộ điều khiển phổ biến trong cơng nghiệp. Phương pháp này dựa trên tham số thời gian của hệ thống với đáp ứng hàm step. Chien, Hrones và Reswick đưa ra nhiều sự lựa chọn bộ điều khiển của hệ thống tùy thuộc vào tham số R, cho ở bảng sau: 8 Bảng 2.3. Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR Loại bộ điều khiển µ 1 == L TR P R>10 PI 7,5<R<10 PID song song 3<R<7,5 Các hệ thống sở hữu bậc cao hơn R<3 Phương pháp này thường được sử dụng khi: + Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín khơng điều hịa. + Đường đặc tính hàm truyền đạt hệ kín dao động với độ vọt lố khoảng 20%. 2.2.2.1. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín khơng cĩ độ quá điều chỉnh Bảng 2.4: Các tham số bộ PID theo Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 Thơng số Bộ điều khiển KP TI TD P K R3,0 - - PI K R35,0 L2,1 - PID song song K R6,0 L T5,0 2.2.2.2. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín cĩ độ quá điều chỉnh khơng quá 20% : Bảng 2.5: Các tham số bộ PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 Thống số Bộ điều khiển KP TI TD P K R7,0 - - PI K R6,0 L - PID song song K R95,0 L35,1 L47,0 9 2.3 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG PHI TUYẾN VỚI BỘ PID BỀN VỮNG XÂY DỰNG THEO PHƯƠNG PHÁP MỚI 2.3.1 Phân tích hệ thống phi tuyến quán tính bậc nhất cĩ trễ 2.3.2 Chứng minh hệ thống ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov Các thơng số bộ PID theo phương pháp mới cĩ dạng sau: ϕϕϕ n dI n p KKICKICKK ==+= ;.;. 2.4. KẾT LUẬN Với các cơng thức của bộ PID mới, tuy phụ thuộc nhiều thành phần khác nhau, nhưng với việc lựa chọn thơng số hợp lý, sẽ đảm bảo được tính ưu việt so với các tham số PID theo phương pháp cổ điển. Ưu điểm của bộ PID mới là hoạt động ổn định và bền vững với hệ thống phi tuyến, đáp ứng nhanh chĩng quá trình thay đổi các thơng số hệ thống. Bằng việc lựa chọn tham số hợp lý, các tham số của bộ PID mới sẽ được đưa về phụ thuộc một hằng số duy nhất là C. Tham số C này sẽ là một hàm số theo các thơng số hệ thống f(K,L,T). Khi các thơng số (K,L,T) thay đổi ở các vùng làm việc khác nhau, tham số C được chọn vẫn sẽ đảm bảo chất lượng đầu ra của hệ thống. 10 CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỚI ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG LỊ NHIỆT 3.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC LỊ ĐIỆN TRỞ 3.1.1 Giới thiệu chung về lị điện trở: 3.1.2. Nguyên lý làm việc lị điện trở 3.1.3. Yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lị điện trở 3.1.3.1. Hợp lý về cơng nghệ 3.1.3.2. Hiệu quả về kỹ thuật 3.1.3.3. Chắc chắn khi làm việc 3.1.3.4. Tiện lợi khi sử dụng 3.1.3.5. Rẻ và đơn giản khi chế tạo 3.1.4. Cấu tạo lị điện trở Với đối tượng điều khiển là một lị điện trở tham khảo cĩ cơng suất khoảng 8kW, được nuơi bởi nguồn điện một pha xoay chiều 220V, sử dụng Triac KS200A/800A để điều khiển quá trình biến đổi điện áp, hàm truyền đạt của lị nhiệt được đo lường từ dải đường cong đặc tính cĩ dạng sau [7]: 1178 8.2 1. .)( 40 + = + = −− s e sT eK sG sLs p Với nhiệt độ làm việc cực đại của lị là 1600oC, sai lệch tĩnh khoảng ±1oC. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ. Trong đĩ, bộ điều khiển PID được tính chọn theo cơng thức sau: ϕϕϕ n dI n p KKICKICKK ==+= ;.;. 3.2. ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ {C, I, ϕ , K} ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG. Mơ hình mơ phỏng hệ thống trên nền Matlab-Simulink: Giá trị đặt là hàm step u(t)=1(t). Bộ PID tạo ra điện áp điều khiển, được giới hạn bởi khối Saturation, giới hạn giá trị trong vùng ±Uđkmax . Hàm Transport Delay tạo trễ với thời gian đặt là 40s. 11 Hình 3.1. Mơ phỏng hệ thống với các thơng số khác nhau của bộ PID 3.2.1. Mơ phỏng hệ thống khi I thay đổi, Kn,C và ϕ khơng đổi. Với I lần lượt bằng {0,05; 0,1; 0,2}, ϕ = 0,5 và K = Kmax =10; C=0,0399 Các chỉ số quá trình mơ phỏng hệ thống được thống kê như sau: Bảng 3.1. kết quả mơ phỏng hệ thống khi I thay đổi Chỉ số I=0,05 I=0,1 I=0,2 Độ vọt lố 1% 14,6% 37,6% Sai lệch tĩnh 0 0 0 Số lần dao động 1 1 2 Thời gian quá độ 280 130 89 Thời gian xác lập 280 520 550 Nhận xét: Với giá trị I nhỏ, quỹ đạo hệ thống bám theo quỹ đạo chuẩn chậm hơn, nhưng giảm được sự vọt lố so với giá trị I lớn. Như vậy, thay đổi giá trị của I sẽ ảnh hưởng tới tính tác động nhanh và sai lệch tĩnh của hệ thống. 3.2.2. Mơ phỏng hệ thống khi ϕ thay đổi, Kn và I khơng đổi Với ϕ lần lượt bằng {0,5; 0,8; 1}; I=0,05; Kn=Kmax = 10; C=0,0399 Các chỉ số quá trình mơ phỏng hệ thống được thống kê như sau: 12 Bảng 3.2. Kết quả mơ phỏng hệ thống khi ϕ thay đổi: Chỉ số ϕ =0,5 ϕ =0,8 ϕ =1 Độ vọt lố 1% 0% 0% Sai lệch tĩnh 0 0 0 Số lần dao động 1 0 0 Thời gian quá độ 280 646 946 Thời gian xác lập 280 646 946 Nhận xét: Khi tăng ϕ , sai lệch tĩnh của hệ thống tăng lên và chậm bám theo tín hiệu đặt nhưng lại giảm được sự dao động của hệ. Như vậy, ϕ ảnh hưởng đến sai lệch tĩnh của hệ. 3.2.3. Mơ phỏng hệ thống khi Kn thay đổi, ϕ và I khơng đổi Với Kn lần lượt là {0,1Kmax;0,5 Kmax; Kmax}; I=0,05; ϕ =0,5 ; C=0,0399. Trong đĩ, Kn khơng thể lựa chọn vượt quá giá trị Kmax của hệ thống, chính là giá trị điện áp điều khiển lớn nhất của hệ thống Uđkmax. Các chỉ số quá trình mơ phỏng hệ thống được thống kê như sau: Bảng 3.3. Kết quả mơ phỏng hệ thống khi Kn thay đổi: Chỉ số Kn=Kmax=10 Kn=0,5Kmax=5 Kn=0,1Kmax=1 Độ vọt lố 1% 9,7% 29,7% Sai lệch tĩnh 0 0 0 Số lần dao động 1 1 3 Thời gian quá độ 280 233 263 Thời gian xác lập 280 772 1500 Nhận xét: Khi Kn nhỏ, hệ thống cĩ sự dao động so với khi Kn lớn, nhưng thời gian xác lập lâu hơn. Như vậy, Kn ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống. 13 3.3. KẾT LUẬN Bằng việc mơ phỏng hoạt động hệ thống trên nền Matlab-Simulink ta cĩ thể thấy rằng, chất lượng hệ thống đầu được quyết định bởi các thơng số của bộ điều khiển PID là {Kn,I, ϕ ,C}. Trong đĩ: I quyết định sự tiến về khơng của sai lệch tĩnh. ϕ quyết định sai lệch tĩnh. Kn quyết định sự ổn định hệ thống, cĩ thể chọn lớn hơn một ngưỡng, cĩ nghĩa chọn lớn nhất tại giới hạn Kmax. Việc lựa chọn I và ϕ sẽ đảm bảo được sai lệch tĩnh tiến về 0, vì vậy ta cĩ thể chọn một giá trị nhỏ để khơng phụ thuộc vào hệ thống. Như vậy chỉ cịn C quyết định chất lượng ra của bộ điều khiển 14 CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN THAM SỐ C TỪ CÁC THƠNG SỐ CỦA HỆ THỐNG PHI TUYẾN QUÁN TÍNH BẬC NHẤT CĨ TRỄ 4.1. PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG THỰC Trong cơng nghiệp hiện nay, phương pháp điều khiển phổ biến cho các hệ thống bậc nhất cĩ trễ phổ biến nhất vẫn là phương pháp PID của Ziegler - Nichols. Trải qua quá trình phát triển của cơng nghiệp, bộ PID của Ziegler - Nichols đã được cải tiến nhiều hơn để phù hợp với tình hình thực tế sản xuất. Tuy nhiên, khi một thơng số của hệ thống thay đổi, bắt buộc phải thiết kế lại một luật điều khiển PID mới để phù hợp tình hình sản xuất, như vậy cơng việc khá phức tạp và vất vả, cĩ thể phải dừng quá trình sản xuất để áp dụng luật điều khiển mới. Xét hệ thống cĩ dạng hàm truyền đạt như sau: 1. .)( . + = − sT eK sH sL Với một hệ thống phi tuyến cĩ trễ, các thành phần của hệ thống liên tục thay đổi theo tình hình sản xuất, làm các hằng số của hệ thống thay đổi liên tục trong phạm vi cho phép của nhà sản xuất. K={K1,K2}, T={T1,T2}. Trong đĩ thời gian đáp ứng của hệ thống kể từ lúc cĩ tín hiệu điều khiển là khơng đổi. Như vậy, khi các tham số hệ thống thay đổi, bắt buộc người vận hành phải thiết kế lại một bộ điều khiển PID mới dựa trên các tham số K, L, T và cơng thức tính tốn bộ điều khiển của Ziegler - Nichols, như vậy, phương pháp tính tốn sẽ khá vất vả hơn vì phải tính cả 3 tham số của bộ điều khiển và khơng thể đáp ứng liên tục quá trình sản xuất. Với phương pháp thiết kế bộ PID mới này cho phép người vận hành chỉ cần tính tốn 1 tham số duy nhất là C=f{K,L,T} mà vẫn đảm bảo chất lượng và điều kiện vận hành hệ thống. Ta cĩ thể tính tốn được hằng số C một cách thuận lợi dựa vào phương trình của hệ thống khi đưa về dạng phương trình vi phân. 4.2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THAM SỐ C 4.2.1 Biến đổi dạng phương trình của hệ thống 4.2.2 Phương pháp giải phương trình vi phân Hệ thống chuyển về phương trình vi phân cĩ dạng: refiipd uKKyKKyKKyKKLTyLT ....)..1()..(.. )3( =++++++ ••• Giải phương trình vi phân hệ thống với, ta rút ra được hệ số C được tính như sau: 15 ) . ().( ....3 2 nn n n KKK IKKLT KKLT C ϕ ϕ ϕ +−++= Cơng thức PID mới sẽ cĩ dạng như sau: ϕϕϕ n dI n p KKICKICKK ==+= ;.;. ) . ().( ....3 2 nn n n KKK IKKLT KKLT C ϕ ϕ ϕ +−++= Với {Kn, I, ϕ} được chọn theo hệ thống. {K, L, T} là các tham số của hệ thống. 4.3. MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC HỆ THỐNG BẰNG MATLAB - SIMULINK Nhiệt độ hệ thống lị nhiệt là một đối tượng cĩ thời gian chậm trễ là 40s, quán tính lị nhiệt là 178s. Bộ điều khiển PID là một trong những bộ điều khiển thơng thường nhất trong cơng nghiệp điều khiển quá trình, với ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển và sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp luyện kim, hĩa chất, chế tạo máy…Điều khiển nhiệt độ hệ thống lị nhiệt địi hỏi đầy đủ các thành phần của bộ PID để tương tác và điều khiển đưa đến chất lượng tốt nhất. Mơ hình mơ phỏng hệ thống : Hình 4.1. Mơ phỏng đặc tính làm việc hệ thống Đáp ứng hệ thống với tín hiệu vào là hàm step u(t)=1(t) Hình 4.2. Đáp ứng hệ thống hở 4.3.1. Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID Ziegler-Nichols. Theo phương pháp Ziegler-Nichols, ta cĩ bộ điều khiển PID cho hệ thống lị nhiệt trên được thiết kế như sau: 16 Bảng 4.1. Tham số bộ điều khiển PID Ziegler-Nichols PID song song Giá trị Kp 1,9071 Ki 0,0238 Kd 38,1429 Ti 80 Td 20 Sử dụng mơ phỏng đáp ứng hệ thống trên nền MATLAB-Simulink: Hình 4.3. Mơ phỏng hệ thống với PID Ziegler-Nichols Đáp ứng hệ thống với hàm u(t)=1(t) như sau: Hình 4.4. Đáp ứng hệ thống với PID Ziegler-Nichols Nhận xét: Độ vọt lố σ = 60%. Sai lệch tĩnh là e = 0%. Thời gian xác lập hệ thống khoảng 800s. 17 Hệ thống cĩ độ vọt lố khá cao và thời gian xác lập lâu. 4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển hệ thống theo PID mới Với phương pháp thiết kế bộ PID kiểu mới, các thơng số bộ PID được tính tốn như sau: ϕϕϕ n dI n p KKICKICKK ==+= ;.;. ) . ().( ....3 2 nn n n KKK IKKLT KKLT C ϕ ϕ ϕ +−++= Trong đĩ, I và ϕ được chọn cỡ nhỏ, Kn=Kmax của hệ thống. Bảng 4.2. Lựa chọn tham số bộ điều khiển PID PID mới I=0,05; ϕ = 0,5; Kn= Kmax= 10 5,0 05,0.max + = CK K p 5,0 05,0 CK I = 5,0 maxKK D = Dựa trên các thơng số của hệ thống, ta cĩ bảng tính chọn tham số bộ điều khiển PID mới được cho như sau: Bảng 4.3. Thơng số bộ PID mới PID Kn I ϕ C Kp Ki Kd Ti Td Giá trị 10 0,05 0,5 0,0399 0,8981 0,004 20 225,058 22,2682 Mơ phỏng hệ thống với các thơng số bộ PID mới: Hình 4.5. Mơ phỏng hệ thống với PID mới 18 Đáp ứng hệ thống được cho hình sau: Hình 4.6. Đáp ứng hệ thống với PID mới Nhận xét: Độ vọt lố: 1% Sai lệch tĩnh: 0% Số lần dao động: 0 Thời gian quán tính: 280s Thời gian xác lập hệ thống: 280s 4.4. KẾT LUẬN Phương pháp tính chọn tham số C theo các tham số hệ thống được dựa trên những phương pháp giải tốn thơng thường, như vậy, với tham số C tìm được, khi hệ thống cĩ tham số thay đổi, bộ PID vẫn đáp ứng tốt quá trình làm việc của hệ thống. Các tham số của bộ PID mới cĩ thể thay đổi tùy vào trạng thái của hệ thống. Các hằng số trong cơng thức tính C cĩ thể thay đổi để phù hợp với quá trình sản xuất, đáp ứng tốt chất lượng đầu ra của hệ thống. Các hằng số này cĩ thể được chỉnh định bằng thực nghiệm. So với bộ điều khiển PID của Ziegler-Nichols, bộ điều khiển PID mới cho chất lượng cao hơn hẳn, đáp ứng đầy đủ các vùng làm việc của hệ thống, đảm bảo được quá trình làm việc liên tục, nâng cao chất lượng và ổn định hệ thống. 19 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Đề tài thực hiện quá trình thiết kế đầy đủ các tham số cho bộ PID mới. Áp dụng các tham số này vào mơ phỏng hệ thống, đảm bảo được tính đúng đắn của phương pháp thiết kế. Chất lượng của hệ thống theo bộ PID mới thể hiện tính vượt trội so với bộ điều khiển PID cổ điển Ziegler-Nichols. Từ đĩ cĩ thể thấy rằng, việc thiết kế bộ PID mới với cơng thức đã cho là hồn tồn đúng đắn. Các tham số bộ PID cĩ thể được lựa chọn nhiều hướng khác nhau để hình thành nhiều phương pháp nghiên cứu mới. Tuy nhiên, với việc lựa chọn tham số C để đảm bảo chất lượng hệ thống, tham số C sẽ quyết định tốc độ tiến về 0 của sai lệch tĩnh. Các tham số của bộ PID được lựa chọn với đảm bảo tính chất vật lý của hệ thống, tùy thuộc vào dạng hệ thống. Hệ thống lị nhiệt sử dụng mơ phỏng trong đề tài chỉ là một hệ thống phi tuyến quán tính bậc nhất cĩ trễ điển hình trong cơng nghiệp. Khi sử dụng cơng thức tính chọn tham số bộ PID mới cho các hệ thống khác, nhất thiết phải cĩ sự tính tốn hợp lý để phù hợp với yêu cầu đặt ra của hệ thống. KIẾN NGHỊ Đề tài chỉ dừng lại ở phần nghiên cứu tìm ra cơng thức tính chọn PID mới và áp dụng mơ phỏng hệ thống trên nền Matlab-Simulink. Nếu được kiểm chứng qua các mạch phần cứng và thí nghiệm thực, thiết kế hồn tồn cĩ thể đáp ứng được yêu cầu của hệ thống, áp dụng được vào thực tiễn sản xuất, gĩp phần phát triển cơng nghệ điều khiển trong cơng nghiệp, nâng cao năng suất và chất lượng sản xuất. Các thuật tốn tính tốn và thiết kế cần được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn với yêu cầu đáp ứng được cho các hệ thống phức tạp khác. Các tham số cĩ thể thay đổi để khắc phục những nhược điểm trong quá trình sản xuất tùy thuộc loại hình sản phẩm.