Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển PI PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤN CHƯƠNG

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PI/PID
ĐỂ NÂNG CAO SỰ ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG
CỦA CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN CÓ THỜI GIAN TRỄ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 4 3 8 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤN CHƯƠNG

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ
CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PI/PID ĐỂ NÂNG CAO SỰ ỔN
ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN CÓ
THỜI GIAN TRỄ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Hướng dẫn khoa học:
TS. TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Tấn Chương

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30/08/1988

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Quê quán: Quảng Ngãi

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 74/17/9 Phan Văn Hớn, P.Tân Thới Nhất, Q12, HCM
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng:

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy

Thời gian đào tạo từ 10/2006 đến 10/2011

Nơi học (trường, thành phố): Trường đại học sư phạm kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Thiết kế máy cắt kim loại
Truyền động thủy lực

III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

03/2011 – 07/2011

DNTN Cơ khí chính xác

Thanh Châu

Vận hành máy

07/2011 - Nay

Công ty thép tấm lá Phú Mỹ

Quản lý thiết bị

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2014
Người thực hiện

Nguyễn Tấn Chương

ii


LỜI CẢM TẠ

Trong quá trình thực hiện đề tài “Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển
PI/PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ”.

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu , Khoa kỹ thuật cơ khí
và các giảng viên Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã giúp đỡ tôi trong
suốt thời nghiên cứu đề tài.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trương Nguyễn Luân Vũ, thầy
giáo trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ Tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, và đồng nghiệp đã động
viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi trong suốt thời gian học tập.

Người thực hiện

Nguyễn Tấn Chương

iii


TÓM TẮT

Trong các hệ thống điều khiển đa vòng lặp, sự tương tác năng động giữa các
vòng lặp kín có thể được sử dụng để nâng cao hiệu suất ổn định và bền vững,
nhưng rất khó để xác định một cách chính xác, bởi vì có một số yếu tố làm cho cho
hệ thống không chắc chắn và phức tạp hơn.
Do đó, phương pháp thiết kế mới nhằm xác định những tương tác này và đề
xuất cấu trúc bộ điều khiển PI nhiều vòng lặp. Phương pháp này có thể kết nối sự
tương tác năng động của các vòng lặp kín (mối quan hệ độ lợi- RGA) và sự phân ly
tĩnh để giảm quá trình tương tác thành công.
RGA có chứa phân ly tĩnh có thể được áp dụng cho các chế độ điều khiển tích
phân, điều đó có ý nghĩa quan trọng ở tần số thấp và bỏ qua các yếu tố tương tác ở
tần số cao, đồng thời các yếu tố này có thể được bù đắp để vượt trội ở tần số cao.
Dựa trên mối quan hệ độ lợitần số phụ thuộc, sự cân bằng giữa một số yếu tố của
quá trình tương tác rất hữu ích để mang lại sự tương tác lặp vào phép tính và làm

cho hệ thống điều khiển đa vòng lặp vận hành một cách hoàn hảo hơn.
Phương pháp thiết kế đề xuất thì đơn giản và dễ dàng thực hiện. Một số mô
hình điều khiển nổi tiếng được nghiên cthực hiện để chứng minh sự đơn giản và
hiệu quả của phương pháp thiết kế bộ điều khiển đề xuất này.

iv


ABSTRACT
In multi-loop control system, the closed-loop dynamic interaction can be used
to enhance the stable and robust performance but it is difficult to obtain exactly
because there are several uncertain factors, which make control system is more
complicated.
Consequently, the new design method is aimed to specify these interactions
and propose new design method of multi-loop PI controller. The proposed method
can connect the closed-loop dynamic interactions (i.e., the relative gain array) and
static decoupler for reducing the process interactions successfully.
The RGA that contains static decoupler can be applied to the integral control
mode , which is significant at low frequencies and neglected at high frequencies,
the proposed dynamic interaction factor can be compensated for proportional gain,
which is predominant at high frequencies. In accordance with frequency-dependent
relative gain array, the tradeoffs between some factors of process interactions is
helped to bring the loop interactions into account that is maked the performance of
multi-loop control system more perfectly.
The proposed method is simple, straightforward and easily implemented in
practice. Several well-known process models are studied to demonstrate how
simplicity and effectiveness of the proposed method.

v

MỤC LỤC
Trang
Trang tựa .......................................................................................................................
Quyết định giao đề tài ...................................................................................................
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................. i
Lời cam đoan ......... .....................................................................................................ii
Lời cảm tạ .................................................................................................................. iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................................... x
Danh sách các bảng ................................................................................................ xiii
Danh sách các hình................................................................................................... xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 1
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài ................................................................................ 1
1.4 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 1
1.5 Tổng quan về bộ điều khiển PID .......................................................................... 2
1.5.1 Điều khiển cổ điển ............................................................................................. 2
1.5.2 Bộ điều khiển PID .............................................................................................. 2
1.5.3 Hệ thống điều khiển hiện đại ............................................................................. 3
1.5.4 Các hệ thống điều khiển điển hình ..................................................................... 3
CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNGVÒNG LẶP PI/PID
ĐIỂN HÌNH .............................................................................................................. 6
2.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 6
2.2 Phương pháp Ziegler-Nichols (Z - N) .................................................................. 7
2.3 Phương pháp điều chỉnh BLT (BLT) ................................................................... 8
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN PI/PID ĐIỂN HÌNH .................................................................................. 12

3.1 Phương pháp SAT (Loh, 1993) ........................................................................... 12

vi


3.1.1 Vòng lặp kín với chế độ dò tự động liên tục .................................................... 12
3.1.2 Thiết lập trọng số ............................................................................................. 13
3.1.3 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp SAT .................................. 14
3.1.4 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 14
3.1.4.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 14
3.3.4.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 15
3.2 Điều chỉnh Mp ..................................................................................................... 16
3.2.1 Nguyên tắc cơ bản của điều chỉnh MP............................................................. 16
3.2.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều chỉnh Mp................... 17
3.2.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 17
3.2.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 17
3.2.3.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 18
3.3 Thiết kế phương pháp độ lợi và pha biên đa vòng lặp (Gain and Phase Margin GPM) ......................................................................................................................... 19
3.3.1 Nguyên tắc cơ bản của GPM ........................................................................... 19
3.3.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp GMP ................................. 21
3.3.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 22
3.3.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 22
3.3.3.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 23
3.4 Phương pháp thiết kế đa vòng lặp các miền Gershgorin (GB) ........................... 24
3.4.1 Nguyên tắc cơ bản của GB............................................................................. 20
3.4.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp GB .................................... 25
3.4.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 25
3.4.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 26
3.4.3.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 26
3.5 Các phương pháp điều chỉnh phân tán λ (DLT).................................................. 27

3.5.1 Nguyên tắc cơ bản của DLT ............................................................................ 27
3.5.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp DLT ................................ 28
3.5.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 28

vii


3.5.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 28
3.5.3.2Ví dụ 2 ............................................................................................................ 29
3.6 Phương pháp một tham số (OPM) ...................................................................... 30
3.6.1 Nguyên tắc cơ bản của OPM ......................................................................... 30
3.6.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp OPM ................................. 31
3.6.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 31
3.6.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 31
3.6.3.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 32
3.7 Chiến lược thiết kế độc lập ................................................................................. 33
3.8 Phương pháp Wang 2 (RAIS) ............................................................................. 34
3.8.1 Nguyên tắc cơ bản ............................................................................................ 34
3.8.2 Những ưu điểm và nhược điểm của RAIS ....................................................... 35
3.8.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 35
3.8.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 35
3.8.3.2Ví dụ 2 ............................................................................................................ 36
3.9 Phương pháp Wang 1 (CRPTRO) ....................................................................... 37
3.9.1 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp CRPTRO .......................... 37
3.9.2 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 38
3.9.2.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 38
3.9.2.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 39
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN
VỮNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................. 40
4.1 Các chỉ tiêu chất lượng ........................................................................................ 40

4.2 Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng quá độ .......................................................... 40
4.3 Phương pháp ổn định bền vững theo giá trị Ms .................................................. 42
CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
TỐI ƯU .................................................................................................................... 45
5.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 45
5.2 Phương pháp đề xuất ........................................................................................... 45

viii


5.2.1 Thiết kế của bộ điều khiển PI đa vòng lặp kín dựa trên việc cân bằng sự tương
tác của các yếu tố và RGA ........................................................................................ 45
5.2.2 Phân tích hệ thống đa vòng lặp ........................................................................ 49
5.2.2.1 Giới hạn trường hợp xấu nhất để cân đối với độ lợi tại tần số cao ............... 49
5.2.2.2 Các cấu trúc điều khiển lựa chọn cho quá trình nhiều thời gian trễ ............. 51
5.3 Sự điều chỉnh lại của hệ thống điều khiển đa vòng lặp để tăng cường sức mạnh
và bền vững ............................................................................................................... 52
5.4 Trình tự thiết kế bộ điều khiển PI đa vòng lặp.................................................... 54
CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN ĐA BIẾN .................................................................................................... 56
6.1 Các mô hình và phương pháp so sánh................................................................. 56
6.2 Mô phỏng và so sánh .......................................................................................... 56
6.2.1 So sánh phương pháp đề xuất với phương pháp mô hình tháp VL.................. 56
6.2.2 So sánh phương pháp đề xuất với mô hình ISPR bởi Chien............................ 59
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT............................................................. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 63

ix

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PID

Proportional Integral Derivative

BLT

Biggest Log Modulus

DLT

The decentralized λ tuning

IMC

Integral Model Control

IAE

Integral Absolute Error

ISE

Integral Square Error

ITAE

Integral Time Absolute Error

MIMO

Multi-Input Multi-Output

NMP

Nonminimum Phase

RP

Robust Performance

RS

Robust Stability

Ms

Maximum Sensitivity

SISO

Single-Input Single-Output

SSV

Structured Singular Value

SV

Singular Value

VL

Vinante and Luyben

WB

Wood and Berry

ISPR

Industrial-Scale Polymerization Reactor

RAIS

Rational Approximation of the Irational Solutions

FOPDT

First Order Plus Dead Time

Ký hiệu khoa học
e(s)

Tín hiệu sai số liên tục

x

Gc(s)

Hàm truyền của bộ điều khiển

Gp(s)

Hàm truyền của quá trình xử lý

Kc

Độ lợi hệ thống điều khiển

KP

Độ lợi tỷ lệ

KI

Độ lợi tích phân

TI

Thời gian tích phân

TD

Thời gian đạo hàm

td

Thời gian trễ
Thời gian trễ

H(s)

Hàm truyền vòng lặp kín

Lcm

Một logarit mô đun vòng lặp đa biến

p(s)(P(s))

SISO(MIMO) , biểu diễn các mô hình xử lý
trong đó p =

( ) ( ( ))
( )

(P = ) là giả định

SISO(MIMO), Mô hình xử lý
Tất cả thông qua bởi phần tử NMP của ( )

r(s)

Giá trị thiết lập liên tục

u(s)

Giá trị đặt vào

y(s)

Giá trị đầu ra

Ký hiệu la mã
λ

Hằng số thời gian vòng lặp kín
(A)

Giá trị lớn nhất của A

(A)

Giá trị nhỏ nhất của A
Thời gian đạo hàm
Thời gian tích phân

xi


Tần số
Băng thông của vòng lặp kín
Chỉ số trên
H

Chuyển vị của một ma trận phức hợp

T

Chuyển vị

Ký hiệu đặc biệt
∀

Với mọi

∋

Sao cho

xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG.............................................................................................................. TRANG
Bảng 3.1 Sửa đổi quy tắc điều chỉnh Ziegler-Nichols .............................................. 25
Bảng 3.2 Thiết lập điều khiển PI cho tháp Wood và Berry (bằng phương pháp thiết
kế đa vòng sử dụng miền Gershgorin) ...................................................................... 25
Bảng 5.1 Tham số của bộ điều khiển PI đề xuất với thời gian trễ ............................ 49
Bảng 6.1 Kết quả điều chỉnh theo phương pháp đề xuất PI và phương pháp khác
nhau trong phương pháp BLT và trong quy mô công nghiệp với mô hình phản ứng
trùng hợp ................................................................................................................... 58

xiii

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH ............................................................................................................... TRANG
Hình 2.1 Bước đáp ứng cho tháp WB bằng phương pháp McAvoy ........................... 8
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đa vòng ...................................................... 9
Hình 2.3 Sơ đồ khối cho phương pháp điều chỉnh BLT ........................................... 11
Hình 3.1 Thủ thuật điều chỉnh tuần tự cho các hệ thống 2x2 ................................... 12
Hình 3.2 Các bước đáp ứng cho tháp WB bằng phương pháp SAT ......................... 15
Hình 3.3 Các bước đáp ứng cho tháp WW bằng phương pháp SAT ........................ 16
Hình 3.4 Đặc tính điển hình của các hệ thống điều khiển phản hồi ......................... 16
Hình 3.5 Các bước đáp ứng của WB sử dụng Mp .................................................... 18
Hình 3.6 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng điều chỉnh Mp ......................... 19
Hình 3.7 Đồ thị Nyquist trên mặt phẳng GMGc ......................................................... 20
Hình 3.8 Biểu đồ Nyquist với đường tròn Gershgorin với độ lợi và pha biên giao
nhau tương ứng với trong tần số

và

............................................................... 22

Hình 3.9 Các bước đáp ứng cho tháp WB khi sử dụng phương pháp GMP ............. 23
Hình 3.10 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp GMP................ 23
Hình 3.11 Điểm tối ưu của miền Gershgorin ............................................................ 24
Hình 3.12 Bước đáp ứng cho tháp WB khi sử dụng phương pháp GB .................... 26
Hình 3.13 Bước đáp ứng cho tháp WW khi sử dụng phương pháp GB ................... 27
Hình 3.14 Các bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp DLT.................. 29
Hình 3.15 Các bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp DLT................. 30
Hình 3.16 Các bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp OPM ................. 32
Hình 3.17 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp OPM ...................... 33
Hình 3.18 Bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp Wang 2 ................... 36
Hình 3.19 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp Wang 2 .................. 37

Hình 3.20 Bước đáp ứng cho tháp WB sử dụng phương pháp Wang 1 ................... 38
Hình 3.21 Bước đáp ứng cho tháp WW sử dụng phương pháp Wang 1 .................. 39
Hình 4.1 Biểu diễn giá trị Ms .................................................................................... 42

xiv


Hình 5.1 Hệ thống điều khiển đa vòng lặp ............................................................... 46
Hình 5.2 Ảnh hưởng của Mslow trên IAE .................................................................. 54
Hình 6.1A Đáp ứng vòng lặp kín 1 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập
cho tháp VL .............................................................................................................. 57
Hình 6.1B Đáp ứng vòng lặp kín 2 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập
cho tháp VL ............................................................................................................... 58
Hình 6.2A Đáp ứng vòng lặp kín 1 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập
của mô hình ISPR...................................................................................................... 69
Hình 6.2B Đáp ứng vòng lặp kín 2 với bước thay đổi tuần tự trong điểm thiết lập
của mô hình ISPR...................................................................................................... 60

xv


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, tự động hóa đóng vai trò quan
trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đồng thời sử dụng hợp
lý nguồn năng lượng, nâng cao đời sống con người là mục tiêu hàng đầu của kỹ
thuật. Hiện tại, có rất ít hệ thống điều khiển đa biến được phát triển trong ứng dụng
công nghiệp. Một trong những lý do cho việc thiếu các phương pháp thiết kế là vì

sự phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao, thiếu tính bền vững, ổn định.
Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “Phương pháp thiết kế các bộ điều khiển
PI/PID để nâng cao sự ổn định bền vững của các quá trình đa biến có thời gian trễ”
để nghiên cứu cho luận văn này.
1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu
Mục đích của luận văn là nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho
hệ thống điều khiển ổn định có thời gian trễ trong công nghiệp. Đánh giá được ưu
điểm của của bộ điều khiển đề xuất so với các bộ điều khiển PID cổ điển để áp dụng
vào quá trình nghiên cứu, đánh giá sản xuất. Tìm ra hướng nghiên cứu và phát triển
mới cho hệ thống, cải thiện tính làm việc liên tục của các quá trình trong công
nghiệp, nâng cao chất lượng sản xuất.
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Phân tích các hệ thống điều khiển điển hình, tìm ra những ưu điểm và nhược
điểm của mỗi phương pháp, từ đó thiết kế các bộ điều khiển PI/PID nâng cao sự ổn
định, áp dụng hợp lý và mang lại hiệu quả cao.
Đề tài này đề cập đến phương pháp điều chỉnh RGA (Relative Gain Array) bằng
cách nghiên cứu các tiêu chuẩn đánh giá sự ổn định và áp dụng phần mềm mô
phỏng Matlab-Simulink để minh chứng so với các bộ điều khiển khác.

-1-


1.4 Phương pháp nghiên cứu
Dựa vào những nghiên cứu, đánh giá cho tới thời điểm hiện tại của các kết quả
nghiên cứu khác có liên quan đến đề tài này trên thế giới và Việt Nam, cũng như
trên cơ sở xác định ưu, nhược điểm của các phương pháp nghiên cứu, nhằm đưa ra
một phương pháp thiết kế đề xuất để đáp ứng nhu cầu cho bộ điều khiển là sự ổn
định bền vững.
Đề tài này được thực hiện trên cơ sở kế thừa và phát triển mới. Tác giả sẽ cố
gắng hoàn thành nghiên cứu này trên cơ sở phải thỏa mãn những tiêu chí cơ bản

như sau: tính mới mẽ, tính sáng tạo, tính logíc, tính hệ thống, và tính ứng dụng...
1.5 Tổng quan về bộ điều khiển PID
1.5.1 Điều khiển cổ điển
Bộ điều khiển được gọi là bộ điều khiển vòng hở là loại điều khiển không có kết
nối trực tiếp giữa đầu ra của hệ thống và các điều kiện thực tế, do đó hệ thống
không và không thể bù lại được các tác động không mong muốn.
Để tránh các vấn đề của bộ điều khiển vòng hở, lý thuyết điều khiển đề xuất khái
niệm phản hồi. Một bộ điều khiển vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi để điều
khiển trạng thái hoặc đầu ra của một hệ thống. Đầu ra của hệ thống y(t) được hồi
tiếp qua một cảm biến đo lường để so sánh với giá trị đặt trước r(t). Bộ điều
khiển lấy sai số e (độ chênh lệch) giữa giá trị đặt và tín hiệu đầu ra để thay đổi đầu
vào u cho hệ thống dưới điều khiển P. Loại này là điều khiển vòng kín hay còn gọi
là điều khiển hồi tiếp.
Có hai hệ điều khiển là một đầu vào - một đầu ra (SISO) và hệ điều khiển nhiều
đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO). Trong hệ thống MIMO các biến được biểu diễn
qua vectơ thay vì các giá trị vô hướng đơn giản. Trong vài hệ thống tham số phân
thán, các vectơ có thể là có có chiều vô hạn (các hàm đặc trưng).
1.5.2 Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là thiết kế điều khiển hồi tiếp được sử dụng nhiều nhất.
PID là từ viết tắt của Proportional – Integral - Derivative (có nghĩa là tỉ lệ - tích
phân - vi phân), đề cập đến 3 khâu hoạt động trên tín hiệu sai số để tạo ra một tín

-2-


hiệu điều khiển. Nếu u(t) là tín hiệu điều khiển gửi tới hệ thống, y(t) là đầu ra đo
được và r(t) là đầu ra mong muốn, và sai số là e(t) = r(t) – y(t).
Đặc tính động học của vòng kín mong muốn đạt được bằng cách điều chỉnh 3
thông số KP, KI và KD thường lặp đi lặp lại bằng cách "điều chỉnh". Sự ổn định của
hệ thống thường được sử dụng bằng khâu tỉ lệ. Khâu tích phân làm triệt tiêu sai số ở

trạng thái xác lập, nhưng cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất nhất thời theo chiều
hướng không được mong muốn, độ vọt lố sẽ tăng khi KI. Khâu vi phân được sử
dụng để điều khiển nhằm giảm độ vọt lố và hình dạng của đáp ứng.
Có ba xu thế điều chỉnh khác nhau để thiết kế bộ điều khiển PID, thứ nhất là xu
thế đáp ứng đầu ra theo giá trị đặt, thứ hai là đáp ứng đầu ra theo nhiễu và cuối cùng
là xu thế thỏa hiệp hai giá trị ở mức độ có thể chấp nhận được.
1.5.3 Hệ thống điều khiển hiện đại
Lý thuyết điều khiển hiện đại sử dụng mô tả không gian trạng thái trong miền
thời gian, một mô hình toán học của một hệ thống vật lý như là một cụm đầu vào,
đầu ra và các biến trạng thái quan hệ với phương trình trạng thái bậc một. Để trừu
tượng hóa từ số lượng đầu vào, đầu ra và trạng thái, các biến và biểu thức như vectơ
và phương trình vi phân, phương trình đại số được viết dưới dạng ma trận. Biểu
diễn không gian trạng thái cung cấp một cách thức ngắn gọn và thuật tiện cho việc
phân tích hệ thống với nhiều đầu vào và đâu ra.
1.5.4 Các hệ thống điều khiển điển hình
Có rất nhiều chiến lược điều khiển khác nhau đã được phát minh trong những
năm qua. Những phát minh này đi từ những bộ điều khiển rất tổng quát từ bộ điều
khiển PID, cho tới những bộ điều khiển khác dành riêng cho những loại hệ thống
chuyên dụng. Vì giữa các vòng lặp trong bộ điều khiển có sự tương tác nên sinh ra
nhiễu trong quá trình xử lý gây mất ổn định và giảm hiệu suất. Do đó, độ ổn định
của bộ điều khiển là yêu cầu với bất kì phương pháp thiết kế nào nhằm đảm bảo hệ
vòng kín hoạt động ổn định bền vững.
Các bộ điều khiển riêng lẻ của hệ thống điều khiển đa vòng lặp trước hết được
thiết kế là bằng cách bỏ qua sự tương tác giữa các vòng lặp điều khiển, và sau đó tất

-3-


cả các thiết lập được làm lệch cộng hưởng cho đến khi sự tương tác cho đạt được
tiêu chí ổn định. Phương pháp nổi tiếng của loại này là điều chỉnh BLT (Biggest

Log Modulus) phương pháp được đề xuất bởi Luyben. Ban đầu, bộ điều khiển đơn
SISO thu được bằng cách sử dụng thiết lập Ziegler-Nichols (Z -N), các điều chỉnh
lại được thực hiện bằng cách điều chỉnh một tham số F, trong đó F được xác định
thông qua một đồ thị Nyquist đa thức đặc trưng vòng lặp kín.
Trong phương pháp thiết kế độc lập, mỗi bộ điều khiển được thiết kế dựa trên các
yếu tố đường chéo tương ứng của quá trình đa biến, trong khi các yếu tố ngoài
đường chéo đưa vào bộ điều khiển bằng cách xét các mối liên quan của quá trình xử
lý, việc thiết kế này được đưa ra bởi một số tác giả như Grosdidier và Morari,
Skogestad và Morari. Ưu điểm chính của thiết kế độc lập là khoảng dung sai lỗi
được tự động kiểm soát. Phương pháp thiết kế này có hiệu quả khi hệ thống nằm
trên đường chéo ma trận.
Trong phương pháp thiết kế tuần tự, mỗi bộ điều khiển được thiết kế theo các bộ
điều khiển thực thi. Về cơ bản, một bộ điều khiển trước hết được thiết kế qua việc
xem xét các chọn lựa của cặp tín hiệu đầu vào - đầu ra và vòng lặp này là kín, sau
đó bộ điều khiển thứ hai được thiết kế bằng cách xem xét các cặp đôi thứ hai và
theo trình tự này để kết đôi các vòng lặp khác. Các phương pháp thiết kế tuần tự có
thể được sử dụng cho các bộ điều khiển có tính tương tác phức tạp khi mà phương
pháp thiết kế độc lập không thể hoạt động. Một bất lợi tiềm ẩn của phương pháp
thiết kế này là khoảng dung sai không được đảm bảo khi các vòng lặp trước đó bị
lỗi. Nếu các kết quả của đầu ra của hệ thống có thể được tách riêng theo thời gian
thì phương pháp thiết kế tuần tự có thể được sử dụng hiệu quả cho việc thiết kế các
bộ điều khiển đa vòng.
Một phương pháp khác sử dụng rộng rãi là tự động điều chỉnh hồi tiếp. Phương
pháp này thì đơn giản, vì nó trực tiếp kết hợp vòng lặp đơn tự động điều chỉnh hồi
tiếp và điều chỉnh liên tục, trong đó hệ thống điều khiển đa vòng lặp được điều
chỉnh theo trình tự của vòng lặp, vòng lặp thứ i đóng khi nó đã được điều chỉnh và
vòng lặp thứ j cần được mở. Tuy nhiên, đáp ứng đầu ra yếu có thể được nhận thấy

-4-

S

K

L

0

0

2

1

5

4