Giáo trình hướng dẫn cách điều chỉnh nhiệt độ của sản phẩm để đem lại thành công tuyệt đối phần 7 ppsx

- 61 -
khó. Vì vậy sau đây chúng tôi chỉ nêu ra được cơ sở lý thuyết của phương pháp
sẽ thực hiện làm thực nghiệm.
+ Xác định mô tả động học
- Bước 1: Xác định đường quá độ h(t) bằng thực nghiệm.
Trước hết khởi động đồng thời các bộ phận trong hệ thống thí nghiệm sấy
như bộ phận tạo nhiệt, tạo ẩm. Sau đó đặt một đ
iện áp có tần số nhất định vào
động cơ quạt là U = 220V, f = 50Hz, tương ứng với tốc độ đặt đầu vào là lớn
nhất. Đồng thời cùng lúc đó khởi động máy ghi để ghi lại sự thay đổi của tốc độ
hỗn hợp dòng khí sấy ở đầu ra hệ thống. Sử dụng tốc độ kế để đo vận tốc đầu ra.
Ta sẽ dừng việ
c lấy kết quả khi nào hệ thống ở trạng thái ổn định.
- Bước 2: Chọn dạng hàm truyền đạt
Theo đồ thị xác định được giá trị thời gian trễ vận chuyển kéo dài là
khoảng thời gian tính từ gốc toạ độ đền thời điểm bắt đầu có phản ứng đầu ra của
hệ thống.
Trừ thời gian vận chuyển phần còn lại củ
a đường h(t) là h
1
(t). Từ đồ thị
ta đi xác định các giá trị h
1
(∞)→ 0,7h
1
(∞) = h
1
(t
7
) biết được giá trị của h
1

(t
7
) từ
đồ thị ta suy ra được giá trị t
7
.
Chuyển đổi ngược hàm truyền đạt sang miền thời gian ta được hàm chuẩn
σ(t).
+ Xác định σ(t
3
)
Ta sẽ đi xác định t
3
bằng các công thức sau đây:
t
3
= t
7
/3 → h
1
(t
3
)
Suy ra σ(t
3
) =
3
h(t )
h( )
∞

Sau đó ta so sánh giá trị
σ(t
3
) với 0,31 và 0,195. Khi đó hàm truyền đạt
của đối tượng sẽ được chọn tuỳ thuộc vào kết quả so sánh của σ(t
3
) với 0,31 và
0,195.
- 62 -
- Bước 3: Xác định các thông số của hàm truyền đạt.
Để thuận tiện cho việc tính toán tiếp theo ta ghép toàn bộ mạch điều khiển
tần số vào với cơ cấu chấp hành là biến tần cùng động cơ để tạo thành đối tượng
điều chỉnh. Tín hiệu vào của mạch điều khiển biến tần là tần số của xung 0 – 5V,
tương ứng với tần số
cấp cho động cơ 0 – 50Hz, và tốc độ hỗn hợp dòng khí sẽ là
0 – 1m/s.
+ Xác định hệ số khuyếch đại K, hằng số thời gian T và trễ dung lượng τ.
Tuỳ thuộc vào dạng của hàm truyền đạt tìm được ở phần trên mà việc xác
định các tham số của đối tượng cũng khác nhau. Sau đây ta nêu ra một vài
phương pháp thực hiện xác định các tham số của các đối tượng quen thuộc.
* Nếu đố
i tượng là khâu quán tính bậc nhất
- Kẻ đường tiếp tuyến với h(t) tại t = 0.
-
Xác định giao điểm của tiếp tuyến với đường K = h(∞).
-
Để thuận lợi cho việc kẻ tiếp tuyến được chính xác ta tìm điểm trên
đường quá độ có tung độ h(t) = 0,632K.
-

Hoành độ giao điểm của điểm vừa xác định được chính là hằng số thời
gian T.
* Nếu đối tượng là bậc nhất có trễ
Cách xác định tương tự như trên chỉ khác tiếp tuyến được kẻ xuất phát tại
điểm có t = τ ( τ là thời gian trễ).
* Đối tượng thuộc khâu quán tính tích phân bậc nhất
- Kẻ đường tiệm cận h
tc
(t) với h
1
(t) tại t = ∞.
- Xác định T là giao điểm của h
tc
(t) với trục thời gian t.
- Xác định góc nghiêng α của h
tc
(t) với trục hoành rồi tính K = tgα.
* Đối tượng là khâu quán tính bậc n
- Dựng đường tiệm cận h
tc
(t) với h(t).
- Xác định góc nghiêng α của h
tc
(t) và tính K = tgα.
- 63 -
- Xác định giao điểm của h
tc
(t) với trục hoành và tính
tc
T

T=
n

Ngoài các đối tượng nêu trên, còn một số đối tượng nữa không nói đến và
các phương pháp nêu trên chỉ là hướng thực hiện cách xác định các tham số cho
đối tượng chứ chưa đưa ra cách tìm cụ thể.
- Bước 4: Khảo sát độ chính xác hàm truyền tìm được
Với hàm truyền tìm được ở trên bằng cách khảo sát bằng simulink với đầu
vào là hàm 1(t) và quan sát tín hiệu đầu ra ta nhận được đường cong lý thuyết.
So sánh giữa hai đường quá độ của hàm tìm thực nghi
ệm và theo lý thuyết
tìm được, sau đó tính sai số bình phương giữa hai đường h
1
(t) và h
lt
(t) theo công
thức:
n
2
1
lt
i=1
[h (t)-h (t)]
σ =
(n-1)
∑

Cách xác định sai số bình phương được thực hiện bằng việc tính tổng bình
phương hiệu các tung độ tại các điểm có tung độ khác nhau và chia trung bình,
sau đó lấy căn bậc hai ta sẽ được sai số cần tìm. Trong phần trên chỉ viết công

thức. Từ đó đánh giá được độ chính xác của hàm truyền tìm được thông qua giá
trị sai số.
4.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH
4.2.1. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển kinh điển
Sau khi đã xác định và xây dựng được mô hình toán học của đối tượng thì
việc tiếp theo tổng hợp hệ thống là tổng hợp bộ điều chỉnh.
Việc tổng hợp bộ điều chỉnh với mục đích can thiệp vào đối tượng nhằm
đạt được chất lượng mong muốn và đảm bảo quá trình công nghệ.
Trong phần này chúng tôi giới thiệu phương pháp tổng hợp bộ
điều chỉnh
PID. Bộ điều chỉnh PID bao gồm ba thành phần: khuyếch đại tỷ lệ P, tích phân I
và vi phân D.
- 64 -
Phương trình thời gian mô tả bộ điều chỉnh PID:
u(t) = K
p
[e(t) +
i
1
T
∫e(t)dt + T
D
de(t)
dt
]
Với: K
p
hệ số khuyếch đại tỉ lệ.
T
i

hằng số thời gian tích phân.
T
D
hằng số thời gian vi phân.
e(t) tín hiệu vào bộ điều chỉnh.
u(t) tín hiệu ra bộ điều chỉnh.

Hình 4.4. Hệ thống điều khiển tự động
Bộ PID được sử dụng rất rộng rãi, là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển
khác. Lý do là tính đơn giản của nó kể cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc,
người sử dụng nó rất linh hoạt, ví dụ như dễ dàng tích hợp các luật điều khiển
như luật P, luật PI, luật PD. Hơn nữa bộ điều khiển PID luôn là phần tử
không
thể thay thế trong các quá trình tự động điều khiển như tự động khống chế nhiệt
độ, mức, tốc độ vv. Ngay cả khi lý thuyết điều khiển tự động hiện đại ra đời, việc
ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển như bộ điều khiển mờ, bộ điều
khiển NƠRON, bộ
điều khiển bền vững, bộ điều khiển thích nghi, thì việc kết
hợp giữa các phương pháp điều khiển hiện đại và bộ điều khiển PID kinh điển
vẫn đem lại những hiệu quả bất ngờ mà không bộ điều khiển nào có khả năng
đem lại.
Qui luật của bộ điều khiển PID kinh điển.
+ Luật P: Làm tăng tín hiệu điều khiển u(t), nhưng không khử được
sai lệch tĩnh của hệ.
- 65 -
+ Luật I: Luôn có xu thế làm cho sai lệch tĩnh e(t) = 0, nhưng lại
làm tăng quá trình quá độ của hệ.
+ Luật D: Dự đoán trước xu hướng thay đổi của hệ, phản ứng nhanh
nhậy với sự thay đổi đó, tức làm tăng khả năng tác động nhanh của hệ.
Như vậy ta thấy việc kết hợp hài hoà giữa 3 tham số K

p
, T
i
, T
D
sẽ cho ra
một bộ điều khiển mong muốn.
Hơn nữa việc xử lý tín hiệu trong vi điều khiển là số nên ta phải số hoá mô
hình bộ điều khiển PID.
Ở trong hệ gián đoạn, đầu vào e(t) được thay bằng dãy {e
k
} có chu kỳ trích
mẫu là T
S
, khi đó thuật toán PID số được xây dựng như sau:
Thành phần khuếch đại u
p
(t) = K
p
e(t) được thay bằng u
k
P
= K
p
e
k
Thành phần tích phân u
i
(t) =
t

p
0
i
K
e(τ)dτ
T
∫
được xấp xỉ bằng:
u
k
i
=
k
p
S
i
i=1
i
KT
e
T
∑

Thành phần vi phân u
D
(t) =
p
D
de(t)
KT

dt
được thay bằng:
u
k
D
=
p
D
kk-1
S
KT
(e -e )
T

Thay các công thức xấp xỉ trên vào:
u
k
= u
k
P
+ u
k
i
+ u
k
D

ta thu được mô hình không liên tục của bộ PID số

k

S
D
p
kk i kk-1
i=1
S
i
T
T
u=K[e+ e+ (e-e )
TT
∑
]



- 66 -
1. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID ở miền thời gian
Ở đây chỉ nêu ra phương pháp sẽ chọn để áp dụng vào đối tượng này và
một vài phương pháp hay sử dụng.
+ Phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất.
Phương pháp này áp dụng cho mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng, đối
tượng phải ổn định, không có dao động và hàm quá độ phải có dạng hình chữ S.
Cụ thể đố
i tượng được mô tả bởi mô hình toán học dưới đây.
dt
1
-τs
K.e
W

1Ts
=
+

Ziegler – Nichols đã xác định các tham số K
p
, T
i
, T
D
của bộ điều khiển
như sau.
* Nếu sử dụng bộ điều khiển khuếch đại W
dk
= K
p
thì chọn K
P
=
1
T
K
τ
.
* Nếu sử dụng bộ điều khiển PI với
p
i
dk
i
K(1 Ts)

W
Ts
+
= thì chọn
1
p
0,9T
K
K
τ
=
và
i
10τ
T
3
= .
* Nếu sử dụng bộ PID với
p
D
dk
i
1
WK(1 Ts)
Ts
=++ thì chọn
1
p
0,5T
K

K
τ
= ,
i
T2τ=
,
D
τ
T
2
= .
2. Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID ở miền tần số.
Nguyên tắc thiết kế ở miền tần số.
Một trong những yêu cầu đối với hệ thống kín hình trên mô tả bởi:
o
k
o
W(s)
W(s)
1W(s)
=
+

Với W
o
(s) = W
dk
(s). W
dt
(s)

- 67 -

Hình 4.5. Điều khiển với bộ điều khiển PID
Là hệ thống luôn đáp ứng y(t) giống như tín hiệu lệnh được đưa vào hệ
thống x(t) tại mọi điểm tần số hoặc ít ra thời gian quá độ để y(t) bám vào x(t)
càng ngắn càng tốt. Nói cách khác bộ điều khiển lý tưởng W
dk
(s) cần phải mang
đến cho hệ thống khả năng │W
k
(jω)│=1 ω
∀
. Nhưng thực tế, vì nhiều lí do mà
yêu cầu W
dk
(s) thoả mãn
k
W (s) khó đáp ứng. Nên bộ điều khiển W
dk
(s) thoả
mãn │W
k
(jω)│=1 trong dải tần số thấp có độ rộng càng lớn càng tốt.
● Phương pháp tối ưu môdun.
Như việc phân tích phương pháp điều khiển ở miền tần số ta nhận thấy.
Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì môđun của đặc tính tần
số biên độ phải tiến đến không. Vì thế đối với dải tần số thấp hàm truyền phải
đạt được điều kiện │W
k
(jω)│=1.

Hàm chuẩn tối ưu mô đun là hàm có dạng:
MC
22
σσ
1
F(s)
12τ s2τ s
=
++

Tiêu chuẩn tối ưu môđun hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số
thấp và không bảo đảm trước được tính ổn định của hệ thống. Do đó sau khi ứng
dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ.
Đặc tính tần số và đặc tính quá độ c
ủa hàm chuẩn tối ưu môđun có dạng.
- 68 -

Hình 4.6. a) Đặc tính tần số; b) Đặc tính quá độ
* Trường hợp hệ hữu sai có hàm truyền.
1
o
12
K
S(s)
(1 T s)(1 T s)
=
++

trong đó T
2

> T
1

Để hệ có hàm truyền F(s) = F
MC
(s) thì ta phải có:
o
MC
o
R(s).S (s)
F(s)
1 R(s).S (s)
=
+

→
MC
o
MC
F(s)
R(s)
S(s)1 F (s)
⎡
⎤
⎣
⎦
=
−

→

o σσ
1
R(s)
S(s)2τ s(1 τ s)
=
+

- 69 -

Hình 4.7. Cấu trúc hệ thống
Nếu chọn bộ điều chỉnh PI
o
1Ts
R(s)
KT s
+
=
thì ta chỉ bù được hằng số thời
gian lớn 1+Ts = 1+T
2
s. Khi đó hàm truyền hở của hệ sẽ là:
11
oo
oo
12 1
KK
1Ts 1
F (s) R(s).S (s) . .
KTs(1Ts)(1Ts) KTs1Ts
+

== =
++ +

Hàm truyền kín của hệ là:
1
o
2
o
o
1
11
11
K
1
F(s)
KT T
KT
KT s(1 T s) K
1s s
KK
==
++
++

Để F(s) = F
MC
(s) thì ta phải có KT
o
= 2KT
1

thay vào biểu thức trên ta sẽ có
22
11
1
F(s)
12Ts2Ts
=
++
.
Như vậy nếu hệ có cấu trúc như Hình 4.7 thì theo tiêu chuẩn tối ưu môđun
và nếu chọn bộ điều chỉnh có cấu trúc PI thì hàm truyền của nó sẽ có dạng
2
11
1Ts
R(s)
2K T s
+
= và đặc tính quá độ của hệ sẽ có các thông số đặc trưng như Hình
4.8.
* Trường hợp hệ có hàm truyền
u
0
'
i
i1
K
S(s)
(1 T s)
=
=

+
∏

- 70 -

Hình 4.8. Đặc tính quá độ của hệ thống
Trong đó T
i
’
là các hằng số thời gian nhỏ, bằng phương pháp thực hiện
tương tự như trên ta tìm được bộ điều chỉnh có cấu trúc tích phân như sau:
i
1
R(s)
2KTs
= với
u
'
ii
i1
TT
=
=
∑

* Nếu hàm truyền của hệ có dạng
o
u
2
'

ki
k1
1
S(s)
(1 T s). (1 T s)
i1
=
=
++
∏∏
=

Tức là hàm truyền có dạng là tích của hai trường hợp trên cũng tương như
trên ta sẽ có bộ điều chỉnh PID.
2
k
k1
i
(1 T s)
1
R(s) .
K2Ts
=
+
∏
=
* Nếu hàm truyền có dạng
o
u
'

i
i1
K
S(s)
s(1 Ts) (1 T s)
=
=
++
∏
thì có bộ điều chỉnh PD
i
1Ts
R(s)
2KT
+
= .
* Nếu
o
u
'
i
i1
K
S(s)
s(1Ts)
=
=
+
∏
thì có bộ điều chỉnh tỷ lệ

i
1
R(s)
2KT
=
.