tóm tắt luận văn thạc sĩ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI, ỨNG DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

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 và Tự động hóa
Mã số: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái nguyên – 2015
Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 1: PGS.TS. Võ Quang Lạp
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Kỹ thuật họp tại
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp.
Đại học Thái nguyên vào ngày 18 tháng 01 năm 2015
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái nguyên
- Thư viên Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
LỜI MỞ ĐẦU
Điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình sản xuất, nó quyết định năng
suất, chất lượng cũng như giá thành sản phẩm. Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn
bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình công
nghệ.
Trong thực tế thì điều khiển quá trình thường được xem như điều khiển các thông số như : nhiệt độ
)(
0
t
, áp suất (p), lưu lượng (F), mức (L), nồng độ (pH) thậm chí cả điều khiển phản ứng…việc điều khiển

các đại lượng này thường gặp khó khăn vì điều khiển quá trình có một số đặc điểm:
- Thời gian chết của quá trình: đó là khoảng thời gian giữa sự thay đổi trong tín hiệu đầu vào đến hệ
thống điều khiển của quá trình và đáp ứng của tín hiệu. Hiện tượng này không phân biệt dạng của tín hiệu
được dùng.
- Trễ quá trình: vì quá trình vốn không có khả năng nhận hoặc thải năng lượng một cách liên tục. Qua
đó ta có trễ bậc một hoặc bậc cao
- Hệ số khuyếch đại của quá trình: hệ số khuyếch đại của quá trình được xác định bằng tỷ số giữa sự
thay đổi của đầu ra trên sự thay đổi của đầu vào.
- Nhiễu quá trình: là những thay đổi không mong muốn xẩy ra trong quá trình, nó có xu hướng ảnh
hưởng bất lợi đến giá trị của biến điều khiển.
Do đó vấn đề về điều khiển quá trình cần thiết, cần được nghiên cứu
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển
PID được sử dụng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp.Trong nhiều báo cáo đưa ra con số thống kê
hơn 90% bài toán điều khiển công nghiệp được giải quyết bằng bộ điều khiển PID. Tuy nhiên với phương
pháp điều khiển kinh điển ta phải biết chính xác về tham số của đối tượng hoặc mô hình hóa tương đối chi
tiết của đối tượng cho nên trong quá trình làm việc, nếu tham số đối tượng thay đổi thì hệ thống có thể mất
ổn định hoặc chất lượng điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu.
Vì vậy, việc nghiên cứu “Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi, ứng dụng nâng cao chất lượng hệ
điều khiển quá trình” là cần thiết và cần được tập trung nghiên cứu để đáp ứng tốt chất lượng điều khiển các
quá trình. Luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình
Chương 2: Thiết kế bộ PID điều khiển quá trình
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1 VAI TRÒ VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1.1 Khái niệm về quá trình và điều khiển quá trình
- Quá trình.
Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng

hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.
- Quá trình công nghệ.
Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận hành hoặc lưu trữ vật chất và năng
lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất. Một quá trình công nghệ có thể chỉ
đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp nhưng cũng có thể phức tạp hơn như một tổ
hợp lò phản ứng, tháp chưng luyện.
- Đặc điểm của các quá trình.
Đặc điểm cơ bản của các quá trình là các thông số đặc trưng cho các quá trình là những đại lượng biến
thiên chậm, liên tục, có quán tính lớn và diễn ra trong thời gian dài (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,
mức…).
Các quá trình thường là những hệ phi tuyến có cấu trúc phức tạp, khó mô hình hoá hoặc có phần
không thể mô hình hoá được và trong quá trình làm việc tham số đặc trưng cho quá trình thay đổi và hệ chịu
nhiễu tác động.
- Điều khiển quá trình.
Điều khiển quá trình là việc thu thập, xử lý các thông tin để điều khiển, vận hành và giám sát các quá
trình, nhằm đảm bảo chất lượng ra của quá trình đáp ứng các yêu cầu đặt trước.
1.1.2 Vai trò của điều khiển quá trình trong công nghiệp.
Điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình sản xuất, nó quyết định chất
lượng, năng suất và giá thành sản phẩm.
Mục đích của hệ thống điều khiển quá trình là làm sao để hệ hoạt động mang tính logic và tin cậy.
Trong thực tế quá trình diễn ra ở nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật, xã hội, đời sống, quản lý … Con
người đã điều khiển các quá trình trên bằng bằng nhiều quy luật khác nhau tuỳ thuộc từng lĩnh vực. Trong xã
hội và đời sống các quá trình được điều khiển bằng bằng các luật, các quy định. Trong sản xuất công nghiệp
người ta điều khiển bằng các thiết bị điều khiển như khí nén, thuỷ lực, điện tử … với những quy luật điều
khiển phù hợp như PID, Điều khiển mờ, Điều khiển thích nghi …
1.1.3 Nhiệm vụ của điều khiển quá trình trong công nghiệp
Điều khiển quá trình là thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các thông số của quá trình với nhiệm vụ :
- Điều khiển các biến vào của quá trình một cách hợp lý để biến ra của quá trình thỏa mãn các chỉ tiêu
cho trước. Các chỉ tiêu này được xác định từ yêu cầu công của quá trình.
- Nâng cao chất lượng của sản phẩm, năng suất sản xuất và giảm giá thành sản phẩm.

4
- Theo dõi và giám sát chặt chẽ các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt
động của các thành phần trong hệ thống.
1.2 HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển quá trình.
Tùy theo yêu cầu của quá trình cần điều khiển và mức độ tự động hóa, các hệ điều khiển quá trình
công nghệ có thể đơn giản hoặc phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết
bị chấp hành và thiết bị điều khiển.
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển quá trình trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình
Trong đó :
X(t): là tín hiệu vào của hệ thống - còn gọi là tín hiệu đặt hay lượng chủ đạo để xác định điểm làm
việc của hệ thống.
U(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng qua cơ cấu chấp hành.
Y(t): Tín hiệu đầu ra của hệ thống, là đại lượng được điều chỉnh.
C(t): Tín hiệu phản hồi
1.2.2 Các phần tử trong hệ điều khiển quá trình
1.2.2.1 Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là bộ phận thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển u(t)
tác động vào đối tượng, nhằm điều khiển được lượng ra của đối tượng thoả mãn theo yêu cầu. Mặc dù các
thuật ngữ “thiết bị điều khiển” và “bộ điều khiển” trong thực tế được sử dụng với nghĩa tương đồng. Tuy
nhiên tùy theo nghĩa cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ
điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển
1.2.2.2 Thiết bị đo
Chức năng của thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một
thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là phần tử cảm biến (sensor) và cơ cấu chuyển đổi đo (transducer).

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
5

1.2.2.3 Thiết bị chấp hành
Thiết bị chấp hành là phần tử nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến
điều khiển. Thành phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển được gọi là phần tử điều khiển.
Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió.
Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ
thuật. Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu
dẫn động và phần tử điều khiển. Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng
(cơ hoặc nhiệt), phần tử tác động can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển.
Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành
1.3 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.3.1 Bộ điều khiển PID tương tự (PID kinh điển)
Bộ điều khiển PID (proportional integral derivative controller) tương tự là bộ điều khiển sử dụng luật
điều khiển tỷ lệ (P) - tích phân (I) - vi phân (D) và các tín hiệu vào/ra của bộ điều khiển là tín hiệu tương tự
(analog). Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Bộ điều khiển này
làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi
tuyến thấp. Bộ điều khiển PID tương tự đã và đang được sử dụng để điều khiển các đối tượng SISO bởi vì
tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc.
Bộ điều khiển PID tương tự là cầu trúc ghép song song của ba điều khiển : điều khiển tỷ lệ (P) - tích
phân (I) - vi phân (D)
1.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ P
Bộ điều chỉnh tỉ lệ là thiết bị tạo tín hiệu điều khiển
)(tu
P
tỉ lệ với tín hiệu sai lệch e(t).
Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tỉ lệ
e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch về tín hiệu điều khiển).
u(t) : tín hiệu ra, tác động lên đối tượng điều khiển
1.3.1.2 Bộ điều chỉnh tích phân I.
Bộ điều chỉnh tích phân tạo tín hiệu điều khiển
)(tu

I
tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch e(t)
Phương trình vi phân :
∫
=
dtteKtu
II
)(.)(
(1.1)
Cơ cấu chấp
hành
Phần tử tác
động
Đầu ra của bộ
điều khiển
Biến cần điều
khiển
Thiết bị chấp hành
P
K
e(t)
u(t)
6
Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tích phân
e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch về tín hiệu điều khiển).
u(t) : tín hiệu ra, tác động lên đối tượng điều khiển
1.3.1.3 Bộ điều chỉnh vi phân D.
Bộ điều chỉnh vi phân tạo tín hiệu điều khiển
)(tu
D

tỉ lệ với vi phân của tín hiệu sai lệc e(t)
Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh vi phân
e(t) : tín hiệu đầu vào (phản ánh sai lệch về tín hiệu điều khiển).
u(t) : tín hiệu ra, tác động lên đối tượng điều khiển
Phương trình vi phân :
dt
tde
Ktu
DD
)(
.)(
=
(1.2)
1.3.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân PI
Trong thực tế không bao giờ người ta dùng bộ điều khiển I độc lập, vị khi đó sẽ kéo dài thời gian điều
khiển và hệ sẽ dễ mất ổn định.
Xuất phát từ quan điểm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu loạn, tăng hệ số khuếch đại của hệ thống ở
vùng tần số thấp, giảm sai số ớ chế độ xác lập và không làm thay đổi đánh kể các đặc tính ở miền tần số cao,
người ta sử dụng bộ điều khiển PI.
Quy luật PI là sự kết hợp của hai quy luật P và I được mô tả bằng phương trình vi phân sau :
∫
+=
t
IP
dtteKteKtu
0
)()(.)(
(1.3)
1.3.1.5 Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID tương tự là cầu trúc ghép song song của ba khâu P, I, D, được mô tả bằng hình 1.8

Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển PID được mô tả bằng phương trình :
dt
tde
KdtteKteKtu
D
t
IP
)(
)()(.)(
0
++=
∫
(1.4)
e(t)
u(t)
I
K
∫
D
K
d/dt
u(t)
e(t)
7
Hình 1.8 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID tương tự
Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID :
sK
s
K
K

sE
sU
sR
D
I
P
.
)(
)(
)(
++==
(1.5)
Quy luật PID có ba tham số hiệu chỉnh K
m
, K
I
, K
D
. Xét ảnh hưởng của ba tham số ta thấy:
- Khi K
D
= 0 và T
I
= ∞ quy luật PID trở thành quy luật P
- Khi K
D
= 0 quy luật PID trở thành quy luật PI
- Khi T
I
= ∞ quy luật PID trở thành quy luật PD

1.3.2 Bộ điều khiển PID số
Bộ điều khiển PID số, tín hiệu vào (biến cần điều khiển) và tín hiệu xuất ra (đến cơ cấu chấp hành)
được số hóa và bản thân luật PID được xử lý dựa trên nền tảng vi xử lý thực hiện rời rạc, tuy nhiên tốc độ lấy
mẫu và xử lý tín hiệu rất nhanh
Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay được xây dựng trên nền máy tính số, vì thế thuật toán
PID cũng được biểu diễn dưới dạng phù hợp cho việc lập trình cài đặt.
Thuật toán PID số được xây dựng bằng cách gián đoạn thuật toán PID liên tục


Hình 1.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID số
1.3.3 Bộ điều khiển PID thích nghi
Sơ đồ cấu trúc của bộ PID Thích nghi trên hình 1.10
8

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID thích nghi
Khối 1: Phần cơ bản của hệ điều khiển
Khối 2: Phần điều khiển thích nghi
Phần cơ bản của hệ gồm:
- Tín hiệu vào của hệ : u
- Tín hiệu ra của hệ : y
- Thiết bị điều khiển ĐK
- Đối tượng : S
- Mạch phản hồi cơ bản
Phần điều khiển thích nghi gồm:
- Khâu nhận dạng : I
- Thiết bị tính toán: TT
- Cơ cấu thích nghi: A
1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Nội dung của chương 1 đã tập trung giải quyết được một số vấn đề liên quan đến nội dung của luận
văn và định hướng cho các nội dung cần giải quyết để thực hiện được mục tiêu của luận văn đã đề ra : nâng

cao được chất lượng của hệ điều khiển quá trình
- Phân tích làm rõ vai trò quan trọng của hệ điều khiển quá trình trong thực tế, đặc biệt trong sản xuất
công nghiệp. Tìm hiểu những đặc điểm của các quá trình và yêu cầu của các quá trình đối với hệ thống điều
khiển cần phải thoả mãn, làm cơ sở cho việc lựa chọn các hệ điều khiển sau này.
- Tìm hiểu cấu trúc của hệ điều khiển quá trình, nguyên lý làm việc, các lượng vào, lượng ra của quá
trình và các thông số đặc trưng cho quá trình, các phần tử cơ bản của hệ thống và đề xuất hướng giải quyết
về điều khiển các quá trình trong sản xuất công nghiệp.
- Phân tích phạm vi sử dụng của các bộ điều khiển PID, PID số, PID thích nghi. Chỉ ra những ưu,
nhược điểm của bộ điều khiển PID khi điều khiển các quá trình và hướng khắc phục những nhược điểm.
Trên cơ sở các ưu nhược điểm của các bộ điều khiển và đặc điểm công nghệ của quá trình cần điều khiển,
lựa chọn giải pháp nâng cao chất lượng của hệ điều khiển quá trình cụ thể. Đề xuất giải pháp ứng dụng vào
nâng cao chất lượng điều khiển và ổn định áp suất bao hơi.
9
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
2.1 LỰA CHỌN VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO QUÁ TRÌNH
2.1.1 Lựa chọn đối tượng điều khiển
Trong quá trình sản xuất công nghiệp, điều khiển quá trình đóng vai trò quan trọng hàng đầu, nó quyết
định chất lượng, năng suất và giá thành sản phẩm. Đồng thời quá trình điều khiển tự động, hạn chế việc tham
gia trực tiếp của con người vào quá trình điều khiển, cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động và giảm
thiểu được những ảnh hưởng xấu của quá trình công nghệ đối với con người và môi trường xung quanh.
Trong công nghiệp có rất nhiều quá trình cần được điều khiển như quá trình sản xuất xi măng, vật liệu xây
dựng, các nhà máy sản xuất hoá chất, sản xuất linh kiện, thiết bị, sản xuất điện năng
Để phù hợp với điều kiện cụ thể của cơ sở đào tạo tôi lựa chọn mô hình lò hơi là đối tượng để khảo sát
và quá trình cần điều khiển ở đây là quá trình ổn định áp suất của lò hơi. Trong phòng thí nghiệm của trường
Đại học Kỹ thuật công nghiệp, hiện có mô hình vật lý của quá trình này và được sử dụng để đánh giá chất
lượng điều khiển bằng thực nghiệm.
2.1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bình bao hơi.
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình H 2.1:
x(t) : lượng đặt xác định điểm làm việc của quá trình điều khiển.

y(t) : lượng ra của quá trình, được xác định từ yêu cầu công nghệ
QT : Quá trình được điều khiển
CH : cơ cấu chấp hành là phần tử tác động trực tiếp vào biến cần điều khiển
ĐK : thiết bị điều khiển có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển
TBĐ : Thiết bị đo làm nhiệm vụ xác định các tín hiệu tỷ lệ với các đại lượng cần đo

Hình 2.1 : Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
Để xác định được tham số của bộ điều khiển, cần phải nhận dạng được đối tượng điều khiển, cơ cấu
chấp hàng và thiết bị đo.
2.1.3 Mô tả toán học cho đối tượng
Mô tả toán học của đối tượng là đưa đối tượng về một dạng mô hình toán nào đó. Mô hình là một
hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần
phải xây dựng. Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích
sử dụng. Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép thực hiện được một số
nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực. Mô hình giúp cho việc
phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa
giải pháp vào triển khai.
10
2.1.4 Xây dựng hàm truyền cho các thành phần của hệ thống
2.1.4.1 Thiết bị đo
a. Cấu trúc
Thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kỹ thuật và biến đổi
những thông tin về quá trình thành một tín hiệu chuẩn ở đầu ra (xác định được giá trị bằng các tín hiệu đo
chuẩn như dòng điện, điện áp… ). Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình được minh họa như trên hình
Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo
b. Đặc tính động học
Khi giá trị đại lượng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu
vào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị đo. Tuy nhiên tín hiệu đầu ra sẽ không thể đáp ứng
ngay với sự thay đổi tương đối nhanh của đại lượng đo. Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đại
lượng đo và biến thời gian được gọi là đặc tính động học của thiết bị đo. Đặc tính động học của hầu hết các

thiết bị đo có thể được mô tả được mô tả bằng một phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tính
của thiết bị đo là tuyến tính coi động học của nó có thể được biểu diễn với một khâu quán tính bậc nhất:

( )
( )
( )
s
k
sx
sy
sG
m
m
τ
+
==
1

Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dòng điện-khí nén (I/P)
Bộ chuyển đổi I/P được chọn là PK200 của hãng YOKOGAWA có tín hiệu đầu vào là dòng điện I: 4
÷
20mA và tín hiệu đầu ra là áp suất khí nén P: 0,2
÷
1KG/cm
2
.
Như vậy, thiết bị này có hàm truyền là một khâu khuyếch đại với hệ số khuyếch đại K được xác định
như sau:








=
−
−
=
∆
∆
=
mA
cmKG
I
P
K
IP
2
max
max
/
05.0
420
2,01
(2.1)
2.1.4.2 Thiết bị chấp hành
Một hệ thống thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều khiển. Trong các hệ thống điều
khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu
Chỉ báo

Cảm biến
Bộ chuyển đổi
đo chuẩn
Thiết bị đo
Tín hiệu đo
(PM,y)
Transmitter
Indicator
Đại lượng
đo (PV,x)
Transducer
Sensor
11
nhất và quan trọng nhất. Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn
tỉ lệ với tín hiệu điều khiển.
Phần lớn van điều khiển công nghiệp được thiết kế để có tính an toàn cơ học, có nghĩa là khi không
có tín hiệu điều khiển thì van hoặc phải đóng hoàn toàn hoặc phải mở hoàn toàn để ngăn chặn nguy cơ sảy ra
tai nạn.
Van đóng an toàn có độ mở van lớn hơn khi tín hiệu điều khiển tăng. Lưu ý khái niệm ‘chiều tác
động’ của bản thân van điều khiển được định nghĩa trong các tài liệu chuẩn dựa theo chiều chuyển động của
chốt van. Chiều tác động thuận được định nghĩa là độ mở van tăng lên khi tín hiệu điều khiển tăng. Nếu van
được xác định là tốt thì quan hệ giữa lưu lượng ra và độ mở van có thể được coi là tuyến tính. Trong thực tế
hàm truyền của van thường được coi là khâu quán tính bậc nhất có trễ, lấy gần đúng thì xem là khâu quán
tính bậc nhất:

( )
sT
K
sG
v

V
V
+
=
1
Trong đó:
V
K
: hệ số khuyếch đại của van
v
T
: thời gian trễ của van, thường lấy T = 25 ms = 0,025s
Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0,2
÷
1KG/cm
2
thì độ mở của van thay đổi từ 0
÷
80%, khi đó hệ số
khuyếch đại được xác định như sau:

2
% ® é ë
8 0
1 0 0
1 0 , 8 /
V
m
K
K G c m

 
= =
 
−
 
Khi độ mở của van thay đổi từ 5
÷
80% thì lưu lượng nước qua van thay đổi từ 0
÷
40 T/h. Từ đó
hệ số truyền của sự liên hệ giữa lưu lượng nước qua van và độ mở của van là:

4 0 /
0 , 5
8 0 5 % ® é ë
T
T h
K
m
 
= ≈
 
−
 
Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra
là lưu lượng nước cấp thông qua cơ cấu van:

( )







+
=
%
/
.
/
%
025.01
50
2
hT
cmKGs
sG
V
(2.2)
2.1.4.3 Bình bao hơi
Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin để sinh công (nhờ sự chuyển hóa
năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng). Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lò bởi các ống dẫn (bao
hơi đặt phía trên lò, ở vị trí cao nhất )
Hình 2.6: Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều khiển
Van đóng an toàn Van mở an toàn
12
Tính hàm truyền của đối tượng (mạch điều chỉnh áp suất bình bao hơi). Đối tượng điều chỉnh của hệ thống là
áp suất bình bao hơi, theo tài liệu tham khảo ta có thể thông qua đặc tính động học hoặc thực nghiệm của hệ
điều khiển áp suất bình bao hơi với tác động điều chỉnh là van đóng mở hơi nước để xác định tham số của
đối tượng. Các thông số của hàm truyền đối tượng là:

K : hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền






=
ht
at
K
/
05,0
τ
: hằng số thời gian trễ,
)(18 s
=
τ
T : hằng số thời gian, T=50(s)
Khi đó hàm truyền đạt của đối tượng là:
( )
150
.05,0
18
+
=
−
s
e
sG

s
dt
Khâu trễ
s
e
18−
có thể biến đổi gần đúng như sau:

s
e
s
181
1
18
+
=
−

⇒

( )
( )( )
ss
sG
dt
181501
05,0
++
=
(2.3)

2.1.5 Hàm truyền của hệ thống
Ta có sơ đồ khối như sau:
Dựa vào số liệu thực tế, hàm truyền của hệ hở như sau :

( )
( ) ( )( )
150118
05.0
102.0
50
+++
=
sss
sG
H
(2.4)
Vậy cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống dưới dạng hàm truyền như hình vẽ :

Hình 2.8 Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống
Trên cơ sở hàm truyền toàn bộ hệ thống mạch vòng điều chỉnh và ổn định áp suất bao hơi trên, tác giả
tiến hành thiết kế bộ điều khiển PID.
2.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
2.2.1 Các phương pháp tổng hợp PID
2.2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
a. Phương pháp Ziegler - Nichols
* Phương pháp 1
Phương pháp này thích hợp với mô hình hoặc xấp xỉ với mô hình :
13
sT
n

j
j
m
i
idt
sT
n
m
dt
tt
e
sT
sTK
e
sA
sB
sW
−
=
=
−
∏
∏
+
+
==
1
1
)1(
)1(

)(
)(
)(
(m<n) (2.5)
Bộ điều khiển PID được xác định với hàm truyền :








++= sT
sT
KsW
D
I
P
1
1)(
(2.6)
* Phương pháp 2
Phương pháp này thích hợp với lớp đối tượng (2.5) nhưng
2≥n
Nội dung phương pháp:
- Tiến hành thực nghiệm với hệ thống điều khiển:
Cho hệ thống làm việc với bộ điều khiển PID theo luật tỷ lệ:
∞→
I

T
và
0→
D
T
,
Tăng
P
K
tới giá trị tới hạn
PghghPgh
KTK .→
tìm được nhờ phương pháp miền xác định
P
K
, Sau
khi tìm được
gh
T
ta tìm luật điều khiển và tham số của nó bằng cách tra bảng, phương pháp này có chất
lượng chưa đảm bảo, độ quá điều chỉnh lớn
%40
max
>
δ
. Vì vậy phương pháp này dùng để tìm tham số ban
đầu cho bộ PID, sau đó dùng các phương pháp khác để chỉnh định
b. Phương pháp Chien- Hromes- Reswich
Phương pháp này gần giống với phương pháp Ziegder – Nichols 1 song nó sử dụng trực tiếp hàm h(t)
mà không xem nó gần đúng với khâu quán tính có trễ và thêm giả thiết đối tượng ổn định, h(t) dạng chữ s và

3>
a
b
T
T
Hàm truyền dạng :
n
dt
dt
Ts
K
sW
)1(
)(
+
=
với
2≥n
(2.7)
Các bước của phương pháp:
- Xây dựng đường thực nghiệm h(t)
- Xác định các tham số
ba
TT ,
- Kiểm tra điều kiện
3>
a
b
T
T

c. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn
Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng không có độ quá điều chỉnh, ổn định và động học
hình chữ s (đối tượng 2.5) Với

0
1
'
1
>−+=
∑∑
==
∑
m
i
it
n
j
j
TTTT
(2.8)
Và gọi
dt
dt
K
A
TTKdtthhA =⇒=−=
∑∑
∞
∞
∫

.)(
0
)(
(2.9)
14
Vậy
∑
T
có thể tính từ công thức (2.8) hoặc (2.9) từ đó Kuhn đề ra phương pháp thời gian tổng Kunh
để chọn luật điều khiển PID
Đặc biệt phương pháp này rất thích hợp cho đối tượng :
n
dt
dt
Ts
K
sW
)1(
)(
+
=
+ Nếu sử dụng PI :
2
;
2
1
∑
==
T
T

K
K
I
dt
P
+ Nếu sử dụng PID:
∑
∑
=== TT
T
T
K
K
DI
dt
P
167,0;
3
2
;
1
2.2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID ở miền tần số
a. Nguyên tắc thiết kế
Một hệ thống điều khiển được miêu tả trên Hình 2.10
Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được vào tín hiệu vào u(t). Nếu một cách lý
tưởng thì hàm truyền hệ kín :
Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển

1
)().(1

)().(
)( =
+
=
sWsW
sWsW
sW
dtdk
dtdk
k
hay
1)( =
ω
jW
k
(2.10)
Vậy ta cần phải xác định cấu trúc và tham số bộ điều khiển với mọi
max
Ω∈
ω
để có
1)( =
ω
jW
k
.
b. Phương pháp tối ưu modul
Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng (2.1)

sT

K
sW
dt
dt
∑
+
=
1
)(
với
0
1
'
1
>−+=
∑∑
==
∑
m
i
it
n
j
j
TTTT
(2.11)
Để
1)( =
ω
jW

k
có nghĩa là sai lệch tĩnh của hệ kín
0
≈
, khi đặt tín hiệu
)(1)( ttu =
: ta chọn luật
điều khiển PI, ta có :
sT
K
sW
I
P
dk
=)(
với các tham số
IP
TK
,
được chọn:
∑
=
TK
T
K
dt
I
P
.2
(2.12)

Tùy ý chọn
P
K
và
I
T
trước
Hàm tuyền hệ hở có dạng :
dtP
I
h
KKK
sTsT
K
sW .;
)1(
)(
0
0
=
+
=
∑
y(t)
)(sW
dt
u(t)
(-)
)(sW
đk

15
và đối tượng có cấu trúc hệ hở (hình 2.9) thì thỏa mãn (2.12)
* Ứng dụng phương pháp:
+ Bù hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng:
Xét đối tượng có:
∑
∑
>
++
= TT
sTsT
K
W
dt
dt 1
1
;
)1)(1(
(2.13)
Chọn luật điều khiển sao cho:
)1)((
)().()(
0
sTsT
K
sWsWsW
I
dtdkh
∑
+

==

suy ra ta chọn luật PI :
sT
sT
KsW
I
Pdk
1
1
)(
+
=
và chọn
∑
=⇒=
TK
T
KTT
dt
I
PI
2
1
+ Bù 2 hằng số thời gian lớn nhất của đối tượng:
Xét đối tượng có:
)1)(1)(1(
21
sTsTsT
K

W
dt
dt
∑
+++
=
;
∑
> TTT
21
,
(2.14)
Chọn luật điều khiển sao cho:
)1(
)().()(
1
0
sTsT
K
sWsWsW
dtdkh
∑
+
==
suy ra:
sT
sTsTK
sT
sTTsTK
sT

sT
KsW
I
BAP
I
DIIP
D
I
Pdk
)1)(1()1(1
1)(
2
++
=
++
=








++=
Với:



=+

=
IBA
DIBA
TTT
TTTT
và ta chọn
1
TT
A
=
;
2
TT
B
=
,Ta có:
∑
=
TK
T
K
dt
I
P
.2
c. Phương pháp tối ưu đối xứng
Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng thuộc lớp II
+ Đối tượng:
)1(
)(

sTTs
K
sW
dt
dt
∑
+
=
(2.15)
Tương tự như ở tối ưu modul để sai lệch tĩnh
0→
.
Khi tín hiệu đặt
)(1)( ttu =
ta chọn luật điều khiển PI
sT
sT
KsW
I
I
Pdk
+
=
1
)(
Lúc này thay
)(sW
dk
vào ta tìm được
)().()( sWsWsW

dtdkh
=
)1(.
)1(
)(
0
sTsTT
sTK
sW
I
I
h
∑
+
+
=
;
Pdt
KKK .
0
=
(2.16)
Tham số cần thiết kế là
P
K
và
I
T
:
Theo tài liệu lý thuyết điều khiển tuyến tính thì để thỏa mãn

∑
=⇒= TaTjW
Ik
.1)(
ω
với
4
≥
a
,
aTK
T
K
dt
P
∑
=
.
Đối tượng :
)1)(1(
)(
1
sTsTTs
K
sW
dt
dt
∑
++

=
16
Chọn luật điều khiển PID có:
sT
sTsTK
sW
I
BAP
dk
)1)(1(
)(
++
=
Với:



=+
=
IBA
DIBA
TTT
TTTT
Ta tính được các tham số điều khiển:
1
TT
A
=
;
∑

= TaT
B
.
với
4
≥
a

∑
+=⇒ TTT
I 1
và
∑
∑
+
=
aTT
aTT
T
D
1
1
.
;
∑
==
Ta
TK
T
TK

K
IP
B
IP
P
.
''
với
aTK
T
K
dt
P
∑
=
'
2.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển áp suất bao hơi
Từ cấu trúc Hình 2.8 ta có cấu trúc điều khiển áp suất bao hơi như sau :

Hình 2.11 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất bao hơi
Đây là đối tượng có cấu trúc giống (2.10), vì vậy ta sử dụng phương pháp mô đun tối ưu để thiết kế bộ
điều khiển
Theo phương pháp mô đun tối ưu, các tham số bộ điều khiển như sau :
32
=
P
K

5.0
=

I
K
200
=
D
K
Bộ điều khiển :
s
s
sR
PID
200
1
5.032)(
++=
2.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BẰNG MÔ PHỎNG
Để đánh giá chất lượng hệ thống sử dụng phần mềm chuyên dụng Matlab – Simulink để mô phỏng.
2.3.1 Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink
17
Hình 2.12 Sơ đồ mô phỏng Matlab – Simulink
2.3.2 Các kết quả mô phỏng
- Trường hợp 1 :
Tiến hành mô phỏng với áp suất 1,7 at;

Hình 2.13 : Áp suất của hệ thống bao hơi với bộ điều khiển PID
- Trường hợp 2:
Mô phỏng với áp suất bao hơi thay đổi từ 1,7at xuống 1,2 at,

Hình 2.14 .Áp suất của hệ thống bao hơi với bộ điều khiển PID
(với áp suất 1.7at xuống 1,2 at)

18
2.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BẰNG THỰC NGHIỆM
- Trường hợp thay đổi áp suất đặt từ 1Bar lên 2Bar sau đó xuống 1.7Bar, với thông số bộ điều khiển:
100=
P
K
;
20=
I
K
;
5,0=
D
K
Hình 2.19 Kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất với
100=
P
K
;
20=
I
K
;
5,0=
D
K
- Trường hợp thay đổi áp suất đặt từ 1Bar lên 2 Bar sau đó xuống 1.7Bar, với thông số bộ điều khiển:
10=
P
K

;
20=
I
K
;
5,0=
D
K

Hình 2.20 Kết quả thí nghiệm điều khiển áp suất với
10=
P
K
;
20=
I
K
;
5,0=
D
K
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong chương 2 ta đã xây dựng được mô tả toán học cho đối tượng điều khiển và cả hệ thống hở. Dựa
vào thông số thực tế của thiết bị thí nghiệm ta đã xác định được thông số của đối tượng đó là hệ số khuyếch
đại và hằng số thời gian của quá trình và cơ cấu chấp hành. Với những kết quả đó ta thiết kế được bộ điều
khiển PID để điều khiển và ổn định áp suất của hệ thống mức nước bao hơi ở mô hình lò hơi tại trung tâm thí
nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Tiến hành đánh giá kết quả tính toán bằng lý thuyết qua mô
phỏng trên Matlab – Simulik và thực nghiệm.
19
Tuy nhiên kết quả trên chưa đề cập đến nhiễu tác động và các tham số của hệ trong quá trình biến

thiên.
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI
3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong chương 2, chúng ta đã tổng hợp được bộ điều khiển PID điều khiển cho mô hình vật lý tại
phòng thí nghiệm. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều chứng minh bộ điều khiển PID đã đáp ứng được
yêu cầu của quá trình ổn định áp suất lò hơi với các tham số của mô hình đã xác định (Từ tham số của mô
hình, chúng ta xác định được tham số của bộ điều khiển).
Tuy nhiên các tham số K
P
, T
I
, T
D
của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc
cụ thể của đối tượng. Thực tế khi làm việc, tham số của đối tượng luôn thay đổi, ngoài ra quá trình ổn định
áp suất bao hơi trong thực tế còn chịu nhiễu tác động từ bên ngoài, vì vậy bộ điều khiển PID với các tham số
cố định không còn đảm bảo chất lượng ra của hệ như mong muốn.
Vấn đề đặt ra ở đây đối với bộ điều khiển là khi các tham số của đối tượng thay đổi, muốn đảm bảo
lượng ra của hệ không thay đổi thì tham số của bộ điều khiển đòi hỏi phải thay đổi cho phù hợp. Để thực
hiện việc điều chỉnh tự động các tham số của bộ điều khiển PID người ta có nhiều phương pháp khác nhau.
Một trong các phương pháp là sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi.
3.2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI
3.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển PID thích nghi

Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển PID thích nghi
Mô hình mẫu được chọn sao cho đặc tính của mô hình mẫu đặc trưng cho tiêu chuẩn đặt trước.
3.2.2 Tính toán tham số của bộ điều khiển
Mô hình mẫu được lựa chọn có hàm truyền đạt :
( )( )

1.68.900
1
150118
1
)(
2
++
=
++
=
ssss
sG
m
Biểu thức xác định luật chỉnh định tham số xác định là:
20























−
−


















−=











2
1
2221
1211
2
1
33
22
11
2
1
000056.00
000056.00
000056.00
1
00
0
1
0
00
1
e

e
pp
pp
u
x
x
s
s
s
k
k
k
dt
d
refF
γ
( )
( )
( )










+

+−
+−


















−=











222221
2222212
2222211
33
22
11
2
1
000056.0
000056.0
000056.0
1
00
0
1
0
00
1
epepu
epepx
epepx
s
s
s
k
k
k
dt
d

refF
γ

( )
( )
( )









+=
+=
+=
ref
F
uepep
sdt
dk
xepep
sdt
dk
xepep
sdt
dk
222221

33
2222221
22
2
1222221
11
1
000056.0
000056.0
000056.0
γ
γ
γ
Cuối cùng ta được luật chỉnh định cho các tham số
F
kkk ,,
21
như sau :

( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )










++−=
++=
++=
∫
∫
∫
0
0
0
222221
33
'
22222221
22
'
2
11222221
11
'
1
FrefF
kuepep
s
k
kdtxepep
s
k
kdtxepep
s

k
γ
γ
γ
3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
3.3.1 Mô phỏng hệ thống
21
Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng
3.3.2 Kết quả mô phỏng
a, Trường hợp 01
Xét lượng ra của hệ khi hệ số khuếch đại của đối tượng bị thay đổi từ : K
dt
= 0.05 đến K
dt
= 0.1

( )
( ) ( )( )
150118
1.0
1025.0
50
+++
=
sss
sW
dt
0 5000 10000 15000
0
0.2

0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
time (samples)


Dau ra cua doi tuong
Dau ra cua mo hinh mau
Hình 3.5 : Lượng ra của hệ và lượng ra của mô hình mẫu
22
0 5000 10000 15000
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
time (samples)
Hình 3.6 Sai lệch giữa đầu ra của đối tượng và đầu ra của mô hình mẫu
0 5000 10000 15000
-8
-6
-4
-2
k1

0 5000 10000 15000
-40
-20
0
20
k2
0 5000 10000 15000
0
10
20
time (samples)
kF
Hình 3.7 Quá trình thích nghi của các tham số
1 2
, ,
F
k k k
b,Trường hợp 02
Xét lượng ra của hệ khi các hằng số thời gian thay đổi :
( )
( )( )
160110
05.0
1025.0
50
+++
=
sss
sW
dt

0 5000 10000 15000
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
time (samples)
y(t)


Dau ra cua he
Dau ra cua mo hinh mau
Hình 3.8: Lượng ra của hệ và lượng ra của mô hình mẫu
23
0 5000 10000 15000
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4

0.6
0.8
time (samples)
Hình 3.9: Sai lệch giữa đầu ra của đối tượng và đầu ra của mô hình mẫu
0 5000 10000 15000
-10
-5
0
5
k1
0 5000 10000 15000
-20
-10
0
10
K2
0 5000 10000 15000
0
5
10
time (samples)
kF
Hình 3.10 Quá trình thích nghi của các tham số
1 2
, ,
F
k k k
c. Đáp ứng của hệ PID và PID thích nghi
24
Hình 3.11 Đáp ứng ra của hệ khi lượng đặt là hằng số

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Thoi gian
Ap suat
Dap ung cua he PID va PIDtich nghi
P - thich nghi
P - PID
P - mau
P - dat
Hình 3.12 Đáp ứng ra của hệ khi lượng đặt là thay đổi
3.3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng
- Khi hệ số khuếch đại, hằng số thời gian của đối tượng thay đổi thì tham số của bộ điều khiển PID
thay đổi theo, kết quả là lượng ra của hệ luôn bám sát lượng ra của mô hình mẫu, tức là hệ thoả mãn các chỉ
tiêu đặt trước.
- Từ kết quả Hình 3.11 và Hình 3.12, có thể đánh giá hệ PID thích nghi có chất lượng động và
tĩnh tốt hơn hệ PID :
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Chương 3 đã giải quyết được các vấn đề sau :
- Đã giới thiệu tổng quan về những tồn tại của PID, hướng khắc phục những tồn tại trên. Giới thiệu

hệ Điều khiển thích nghi và phạm vi ứng dụng.
- Đề xuất sử dụng hệ PID thích nghi vào điều khiển ổn định áp suất bao hơi để nâng cao chất lượng
điều khiển
- Tổng hợp bộ điều khiển PID thích nghi
- Tiến hành mô phỏng để đánh giá chất lượng của hệ.
Qua kết quả mô phỏng, chúng ta nhận thấy hệ PID thích nghi đã khắc phục được những tồn
tại của hệ PID và có thể sử dụng để điều khiển và ổn định áp suất bao hơi, đáp ứng yêu cầu của quá
trình sản xuất.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.Kết luận:
Nội dung cơ bản của luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng các phương pháp điều khiển cho đối
tượng là điều khiển áp suất của hệ thống mức nước bao hơi. Nhiệm vụ cụ thể là nâng cao chất lượng hệ
thống điều khiển áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển PID thích nghi.
Với mục tiêu đề ra nội dung luận văn đã hoàn thành các chương sau:
25