Tài liệu Điều khiển quá trình - Chương 3: Các sách lược điều khiển doc

© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 1Chương 1
13/09/2005
Chương 2
Chương 3: Các sách lược ₫iều khiển
Điềukhiển quá trình
2
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Nộidung chương 3
3.1 Khái niệm
3.2 Điềukhiển truyềnthẳng
3.3 Điềukhiểnphảnhồi
3.4 Điềukhiển cascade
3.5 Điềukhiểntỉ lệ
3.6 Điềukhiểnlựachọn
3.7 Điềukhiểnphânvùng
3.8 Các cấu trúc ₫iềukhiểnhệ MIMO
3.9 Thiếtkế cấu trúc ₫iềukhiểnhệ MIMO
3
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Quá trình
Nhiễu d
Các biếncần
₫iềukhiển y
Các biến

₫iềukhiển u
Lưu ý:
u, r, y, d
là các biến
của mô hình
chuẩn hóa G(s)
3.1 Khái niệm
 Bài toán ₫iềukhiển quá trình: duy trì y ≈ r trong khi
—thay₫ổigiátrị₫ặtr
—cótác₫ộng của nhiễud
—tồntại nhiễu ₫on
— mô hình quá trình không chính xác
4
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
 Ổn ₫ịnh hệ thống
 Tốc ₫ộ ₫áp ứng nhanh và chấtlượng ₫áp ứng tốt:
— Đáp ứng vớithay₫ổigiátrị₫ặt
— Đáp ứng với nhiễu quá trình
—Ítnhạycảmvới nhiễu ₫o
 Giá trị biến ₫iềukhiểnthay₫ổichậmhoặcthay₫ổiít
 Bềnvững:
— Ổn ₫ịnh bềnvững
—Chấtlượng bềnvững
Các mụctiêucụ thể của ₫iềukhiển
5
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển

© 2005 - HMS
© HMS
Các vấn ₫ề phứctạp
 Nhiềuquátrìnhphứctạp, khó ₫iềukhiển(tương
tác nhiềuchiều, hệ pha không cựctiểu, giớihạn
về giá trị và tốc ₫ộ thay ₫ổicủabiến ₫iềukhiển,
giớihạnvề phạmvi thay₫ổi cho phép củabiến
₫ược ₫iềukhiển, )
 Mô hình khó xây dựng chính xác
 Nhiễukhó₫o, khó biếttrước
 Khả năng thực thi, cài ₫ặtluật ₫iềukhiểncógiới
hạn
 Trình ₫ộ hiểubiếtcủakỹ sư vậnhànhvề lý
thuyết ₫iềukhiểnhạnchế

6
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
 Sách lược/cấu trúc ₫iềukhiển (control strategy/structure):
nguyên tắcvề mặtcấu trúc trong sử dụng thông tin về các
biến quá trình để đưaratácđộng điềukhiển.
 Sách lược ₫iềukhiển
— Điềukhiển ₫ơn biếnhay ₫abiến?
—Phốihợpsử dụng các biếnvàonàovànhư thế nào ₫ể ₫iều
khiểnnhững biếnranào?
Quá trình
Nhiễu d
Các biến

₫o ₫ược y
m
Các biến
₫iềukhiển u
Giá trị
₫ặt r
Sách lược ₫iềukhiển
7
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Các sách lược ₫iềukhiển cơ bản
 Hệ SISO:
— Điềukhiểntruyềnthẳng (feedforward control)
— Điềukhiển phảnhồi(feedback control)
— Điềukhiểntầng (cascade control)
— Điềukhiểntỉ lệ (ratio control)
— Điềukhiểnlựachọn(selective control)
— Điềukhiển phân vùng (split-range control)
 Hệ MIMO:
— Điềukhiểntập trung (centralized control)
z Điều khiển tách kênh
z Điều khiển nhiều chiều
— Điềukhiển phi tập trung (decentralized control)
— Điềukhiểnphân cấp(hierarchical control)
8
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS

© HMS
3.2 Điềukhiển truyềnthẳng
 Ví dụ₫iềukhiển quá trình trao ₫ổinhiệt:
— Điềuchỉnh lưulượng hơi nóng vào F
s
₫ể duy trì nhiệt ₫ộ dầu
ra T
2
tạigiátrị₫ặtmongmuốn
9
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Cấutrúc cơ bản
 Nguyên lý:
—Giả thiết: Mô hình chính xác, nhiễu ₫o ₫ược
— Đo nhiễu quá trình d, tính toán u sao cho y ≈ r :
— Không thựchiện ₫o y
1
()( ())
() ()
rd
r
uKsrGsd
Ks Gs
−
=
−
≈

(3.1)
10
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Phân tích chấtlượng
1
1
1
()()
()
r
rd d
ddd
KG
u KrGd GrGd
yGuGdGGrGdGdr
−
−
−
=
=− = −
⇒= + = − + =
(3.2)
b) Sai lệch mô hình ₫ốitượng (giả sử d = 0):
(3.4)
a) Điềukhiểnlýtưởng
1
()

GGG
G
yG GGrr r
G
−
=+Δ
Δ
⇒= +Δ =+
thùc
(3.3)
c) Sai lệch mô hình nhiễu:
thùc
()
ddd
ddd d
GGG
y
rGd G Gd r Gd
=+Δ
⇒=− + +Δ =+Δ
sai lệch ₫iềukhiển
11
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
22 22dd d
yGuGdGd rGd=+ + =+
d) Tồntạinhiễu không ₫o ₫ược:
=> Hệ mất ổn ₫ịnh khi G

d2
không ổn ₫ịnh
sai lệch ₫iềukhiển
(3.5)
e) Mô hình có ₫iểm không nằmnửabênphảimặtphẳng phức
=> Bộ₫iềukhiểnlýtưởng không ổn ₫ịnh, cầnxấpxỉ!
Ví dụ mô hình ₫ốitượng:
Bộ₫iềukhiểnlýtưởng không ổn ₫ịnh => hệ mất ổn ₫ịnh nội!
Bộ₫iềukhiểnxấpxỉ (cho trạng thái xác lập):
1
()
1
s
Gs
s
−
=
+
1
1
1
() ()
1
r
s
Ks Gs
s
−
+
==

−
1
2
(0) 1
r
KG
−
=
=
12
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
13
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Phân tích chấtlượng (tiếp)
f) Mô hình có thờigiantrễ hoặccóbậcmẫusố lớnhơnbậctử số
=> Bộ₫iềukhiểnlýtưởng không có tính nhân quả (non-causal)
Ví dụ mô hình ₫ốitượng:
Bộ₫iềukhiểnlýtưởng không có tính nhân quả:
=> Chỉ thựchiện ₫ượckhibùtínhiệuchủ₫ạobiếttrước, không
dùng cho bù nhiễu, hoặcphảixấpxỉ bộ₫iềukhiển
g) Quá trình không ổn ₫ịnh: Bộ₫iềukhiểnlýtưởng triệttiêu₫iểmcực
không ổn ₫ịnh => Hệ thống không có tính ổn ₫ịnh nội, chỉ cầncó
nhiễu ₫ầuvàorấtnhỏ có thể làm cho hệ mất ổn ₫ịnh
2

1
()
1
s
s
Gs e
ss
−
+
=
−+
2
1
()
1
s
r
ss
Ks e
s
−+
=
+
()
ud u
yGud GdrGd=++ =+
(3.6)
14
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển

© 2005 - HMS
© HMS
Ví dụ: Điềukhiểnmức
 Nguyên lý ₫iềukhiển: Lưulượng vào phảibằng lưulượng ra
 Vấn ₫ề: Chỉ cần sai số nhỏ trong giá trị ₫o lưulượng hoặc
sai số nhỏ trong mô hình van ₫iềukhiểncũng có thể làm
trànbìnhhoặccạnbình
15
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Tóm lượcvề₫iềukhiểntruyềnthẳng
 Ưu ₫iểm:
— Đơngiản
— Tác ₫ộng nhanh (bù nhiễukịpthờitrướckhiảnh hưởng tới ₫ầu
ra)
 Hạnchế:
—Phải ₫ặtthiếtbị ₫o nhiễu
— Không loạitrừ₫ược ảnh hưởng của nhiễu không ₫o ₫ược
—Nhạycảmvớisailệch mô hình (mô hình quá trình và mô hình
nhiễu)
—Bộ₫iềukhiểnlýtưởng có thể không ổn ₫ịnh hoặc không thực
hiện ₫ược => phương pháp xấpxỉ
— Không có khả năng ổn ₫ịnh một quá trình không ổn ₫ịnh
 Ứng dụng chủ yếu:
— Các bài toán ₫ơn giản, quá trình pha cựctiểu, yêu cầuchất
lượng không cao
—Kếthợpvới ĐK phảnhồinhằmcảithiệntốc ₫ộ ₫áp ứng củahệ
kín: Bù nhiễu ₫o ₫ược(chủ yếulàbùtĩnh), lọctrước(tiềnxử lý)

tín hiệuchủ₫ạo
— Điềukhiểntỉ lệ (mục3.5)
16
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Các bướcthiếtkế khâu bù tĩnh
1. Xác ₫ịnh biếncần ₫iềukhiển, chọnbiến ₫iềukhiển và các biến
nhiễu ₫o ₫ược.
2. Xây dựng mô hình ₫ốitượng, viết các phương trình cân bằng vật
chấthoặc/và phương trình cân bằng năng lượng ở trạng thái xác
lập.
3. Thay thế biến ₫ược ₫iềukhiểnbằng giá trị₫ặt, giảiphương trình
cân bằng cho biến ₫iềukhiển theo giá trị₫ặt và các biếnnhiễu.
4. Phân tích và ₫ánh giá ảnh hưởng củasailệch mô hình tớichất
lượng ₫iềukhiển.
5. Loạibỏ các nguồn nhiễucóảnh hưởng không ₫áng kể ₫ể tiếtkiệm
chi phí ₫ặtcảmbiến.
6. Chỉnh ₫ịnh lại các tham số củakhâutruyềnthẳng cho ₫iểmlàm
việcquantâm ₫ể bù lạisailệch mô hình và các nguồnnhiễu ₫ã
loạibỏ.
7. Bổ sung các bộ₫iềukhiểnphảnhồi ₫ể triệttiêusailệch tĩnh, giảm
tác ₫ộng củasailệch mô hình và của nhiễu không ₫o ₫ược.
17
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Ví dụ: Điềukhiểnquátrìnhtrao₫ổinhiệt

Bỏ qua tổnthấtnhiệt, ta có
phương trình cân bằng năng
lượng:
(3.7)
trong ₫ó:
C
p
—nhiệt dung củadầu
λ —hệ số nhiệttỏa ra do quá
trình hơinướcngưng tụ.
Thay thế T
2
bằng giá trị₫ặt (SP):
(3.8)
21
()
op s
FC T T Fλ− =
1
()
p
so
C
F
FSPT
λ
= −
18
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển

© 2005 - HMS
© HMS
Ví dụ: Điềukhiểnquátrìnhtrộn
Giả thiết:
- c
1
và c
2
là hằng số
-lưulượng w ra tùy ý (tự chảy)
Phương trình cân bằng:
Thay thế c bằng giá trị₫ặt (SP):
11 22 1 2
()wc wc w w c
+
=+
11
2
2
()wSP c
w
cSP
−
=
−
(3.9)
(3.10)
19
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển

© 2005 - HMS
© HMS
3.3 Điềukhiển phảnhồi
 Ví dụ: Điềukhiển quá trình trao ₫ổinhiệt
 Nguyên lý ₫iềukhiển: Điềuchỉnh lưu lượng hơi nóng (biến ₫iều
khiển) dựa trên sai lệch giữa nhiệt ₫ộ dầura (biến ₫ược ₫iều
khiển) và giá trị₫ặt (SP)
20
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Chiềutác₫ộng của bộ₫iềukhiểnphảnhồi
 Tác ₫ộng thuận (direct acting, DA): Đầu ra của bộ ₫iều khiển
tăng khi biến ₫ược ₫iều khiển tăng và ngược lại
 Tác ₫ộng nghịch (reverse acting, RA): Đầu ra của bộ ₫iều
khiển giảm khi biến ₫ược ₫iều khiển tăng và ngược lại
 Sự lựa chọn chiều tác ₫ộng phụ thuộc:
— Đặc ₫iểm của quá trình: quan hệ giữa biến ₫iều khiển và biến
₫ược ₫iều khiển
—Kiểu tác ₫ộng của van ₫iều khiển (chú ý chiều mũi tên trên ký
hiệu van ₫iều khiển):
z Đóng an toàn (fail close, air-to-open), chiều tác ₫ộng thuận
z Mở an toàn (fail open, air-to-close), chiều tác ₫ộng nghịch
) Coi ₫ối tượng ₫iều khiển = quá trình + van ₫iều khiển => chiều
tác ₫ộng phụ thuộc vào dấu của hệ số khuếch ₫ại tĩnh của ₫ối
tượng
 Trong ví dụ: tác ₫ộng nghịch
— Quá trình: Hơi nóng nhiều -> nhiệt ₫ộ tăng
—Van ₫iềukhiển: Đóng an toàn

21
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Cấuhìnhbộ₫iềukhiểnphảnhồi
Đáp ứng vớigiátrị₫ặtvà₫áp
ứng với nhiễucóràngbuộc
với nhau => không thể thiết
kế₫ể₫iềukhiển ₫ộclậphoàn
toàn theo ý muốn
Thêm khả năng thiếtkế bộ
₫iềukhiển K
r
(s) ₫ể cảithiện
₫áp ứng vớithay₫ổigiátrị
₫ặt
22
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Tạisao phải ₫iềukhiểnphảnhồi?
()
d
yGKryn Gd= −− +
(1 )
d
GK y GKr G d GKn+=+−
111

d
d
LG L
yrdnTrGSdTn
LLL
=+− =+ −
+++
1
11 1
d
d
GGK
ery r d nSrGSdTn
GK GK GK
= − = − +=− +
++ +
Xét cấu hình bộ₫iềukhiểnmột bậctự do:
(3.11)
(3.12)
Đáp ứng hệ kín:
(3.13)
Sai lệch ₫iềukhiển:
(3.14)
23
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Vai trò của ₫iềukhiểnphảnhồi
1. Một quá trình không ổn ₫ịnh chỉ có thểổn ₫ịnh (hóa) bằng

cách sử dụng mạch phản hồi nhằm dịch các ₫iểm cực sang
bên trái trục ảo của mặt phẳng phức (quan sát ₫a thứcmẫu
số 1 + GK trong 3.13 và 3.14)
2. Khi nhiễu không ₫o ₫ược hoặc mô hình ₫áp ứng nhiễu bất
₫ịnh thì tác ₫ộng của nó chỉ có thể triệt tiêu thông qua
nguyên lý phản hồi:
3. Mô hình ₫ối tượng không chính xác, do vậy việc triệt tiêu sai
lệch tĩnh chỉ có thể thông qua quan sát diễn biến ₫ầu ra:
10
1
d
G
GK
GK
⇒≈
+

0, 1 0nGK e
≈
⇒≈
24
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Các vấn ₫ề của ₫iềukhiển phảnhồi
 Một vòng ₫iều khiển kín chứa một ₫ối tượng ổn ₫ịnh cũng
có thể trở nên mất ổn ₫ịnh
 Điều khiển phản hồi cần bổ sung các cảm biến
 Nhiễu ₫o có thểảnh hưởng lớntớichấtlượng ₫iều khiển(₫ể

ýsố hạng cuốicùngtrong biểuthức 3.13 và 3.14) => cần có
phương pháp lọc nhiễu, xử lý số liệu ₫o tốt
 Khó mà có một bộ ₫iều khiển phảnhồitốt nếu như không
có một mô hình tốt
 Với một số quá trình có ₫áp ứng ngược hoặc có trễ (hệ pha
không cực tiểu), một bộ ₫iều khiển phảnhồi ₫ược thiết kế
thiếu thận trọng thậm chí có thể làm xấu ₫i ₫ặc tính ₫áp
ứng
 Bộ₫iềukhiểnphảnhồi ₫áp ứng chậm vớinhiễutải và thay
₫ổigiátrị₫ặt
25
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 3: Các sách lược điềukhiển
© 2005 - HMS
© HMS
Kếthợp với sách lượctruyềnthẳng
 Ví dụ₫iềukhiểnmức:
— Khâu truyềnthẳng: bù nhiễu
—Khâu phảnhồi: ổn ₫ịnh hệ thống và triệt tiêu sai lệch tĩnh