Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm (tt)

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đối tượng (quá trình) nhiệt tồn tại phổ biến trong các hệ thống điều
khiển công nghiệp. Đặc điểm của lớp đối tượng này là thường có quán tính
lớn, có trễ vận tải và thường xuyên thay đổi bất thường theo phụ tải. Ngoài
ra trong quá trình điều khiển thường xuất hiện các loại nhiễu ảnh hưởng khá
mạnh đến thông số công nghệ đầu ra.
Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện là một loại đối tượng nhiệt điển hình
trong đó có nhiều hệ thống điều khiển như điều khiển nhiệt độ, điều khiển
mức nước, điều khiển áp suất. Các quá trình nhiệt trong lò hơi là những quá
trình rất phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Ví dụ khi
thay đổi công suất lò hơi bằng cách thay đổi lưu lượng nhiên liệu cấp vào
buồng đốt, sẽ đồng thời kéo theo sự thay đổi của nhiệt độ hơi ra và áp suất
trong buồng đốt. Tác động điều khiển lưu lượng không khí cấp vào buồng
đốt sẽ làm thay đổi trực tiếp áp suất trong buồng đốt. Một số hệ thống điều
khiển chính của lò hơi là hệ thống điều khiển mức nước trong bao hơi, hệ
thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều khiển độ kinh tế quá
trình cháy. Với các hệ thống này luôn cần phải có cơ cấu chấp hành đó là
các van điều khiển. Trong quá trình hoạt động, có nhiều nguồn nhiễu ảnh
hưởng đến van và do đặc tính của chính bản thân van là phi tuyến và bất
định. Do vậy giải pháp sử dụng cấu trúc điều khiển tầng là phù hợp đối với
các hệ thống điều khiển trên bởi vì ưu điểm nổi bật của điều khiển tầng là
cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ cũng như khử tính phi tuyến và bất
định của đối tượng vòng trong.
Các phương pháp chỉnh định đã biết trước đây áp dụng cho các hệ thống
điều khiển quá trình trong nhà máy nhiệt điện còn khó khăn và/hoặc chưa
đạt hiệu quả cao. Ví dụ phương pháp chỉnh định Zigler – Nichols [65] dễ áp
dụng nhưng dẫn đến hệ thống có độ dao động lớn. Phương pháp mô hình
nội (IMC) [41] cho chất lượng đáp ứng giá trị đặt rất tốt nhưng khử nhiễu
quá trình lại kém. Phương pháp ổn định bền vững [69] cho chất lượng hệ
thống tốt cả với giá trị đặt và nhiễu nhưng bộ điều khiển có cấu trúc phức

tạp, khó thực thi. Vì vậy ở các nhà máy nhiệt điện người ta thường chỉnh
định hệ thống phần lớn dựa vào kiến thức chuyên gia và kinh nghiệm.
Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ điều khiển nhiều
tầng (hệ tầng), trong đó hầu hết tập trung vào việc giải quyết bài toán tổng
hợp các bộ điều chỉnh theo mục đích bám giá trị đặt và có lưu ý đến khử
nhiễu. Bên cạnh đó, bài toán khảo sát về tính ổn định cũng như dự trữ ổn
định của hệ tầng còn ít được quan tâm nghiên cứu.
Các khái niệm “chỉ số dao động mềm”, “đặc tính mềm”, “đường biên
mềm” [67] được áp dụng hiệu quả để khảo sát tính ổn định của hệ thống
1


điều khiển một vòng cho các đối tượng có trễ vận tải. Thêm vào đó, việc kết
hợp với quan điểm“điều khiển bền vững chất lượng cao” [69] đã đơn giản
hóa bài toán chỉnh định hệ một vòng. Tuy vậy việc áp dụng các khái niệm
và quan điểm trên vẫn chưa được xét đến cho hệ tầng kể cả vấn đề đánh giá
động học mà cụ thể là đánh giá độ dự trữ ổn định của hệ nhiều tầng cũng
như bài toán tổng hợp và chỉnh định các bộ điều khiển trong hệ tầng.
Thực tiễn nêu trên đã định hướng tác giả lựa chọn nội dung nghiên cứu
của luận án: “Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng trong
điều khiển quá trình nhiệt trên cơ sở chỉ số dao động mềm”.
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của luận án là phát triển lý thuyết hệ điều khiển nhiều tầng về
các vấn đề đánh giá động học và chỉnh định các bộ điều khiển trong hệ tầng.
Đối tượng mà luận án áp dụng để nghiên cứu là các đối tượng nhiệt với
đặc điểm là có quán tính và có trễ.
Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án nghiên cứu phát triển lý thuyết
cho các hệ điều khiển tầng tổng quát (hệ nhiều tầng nói chung), sau đó áp
dụng để điều khiển đối tượng nhiệt.
3. Ý nghĩa khoa học của luận án

Luận án nêu ra phương pháp đánh giá dự trữ ổn định của hệ thống điều
khiển tầng, đóng góp thêm phần lý thuyết mới về tổng hợp các bộ điều
khiển trong hệ tầng và chỉnh định (hay lựa chọn) tham số cho chúng. Độ tin
cậy của kết quả nghiên cứu được đánh giá thông qua so sánh chất lượng
điều khiển của hệ thống khi sử dụng kết quả nghiên cứu này với khi sử dụng
các phương pháp nghiên khác (thể hiện trong mục 3.7 ở chương 3 của luận
án) và được chứng minh bằng thực nghiệm.
Mặt khác, khi lựa chọn các tham số bộ điều khiển, các tham số này được
lựa chọn có phụ thuộc vào tham số trễ của đối tượng (thể hiện ở công thức
(3.63)) nên kết quả của luận án có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu điều
khiển tầng cho các đối tượng có trễ, đặc biệt là đối với các đối tượng nhiệt.
Các kết quả của luận án làm cơ sở cho các nghiên cứu về sau để phát
triển hoàn thiện lý thuyết về hệ điều khiển tầng trong vấn đề chỉnh định hệ
thống.
4. Nội dung của luận án
Chương 1 giới thiệu khái niệm, ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng,
trình bày một số ứng dụng điển hình trong lĩnh vực công nghệ nhiệt, đặc
điểm và mô hình đối tượng quá trình nhiệt. Tiếp theo, tổng quan và phân
tích phương pháp đánh giá dự trữ ổn định cũng như tổng hợp hệ thống điều
khiển tầng trên thế giới.
Chương 2 trình bày phương pháp nghiên cứu động học hệ tầng. Trên cơ
sở khái niệm “chỉ số dao động mềm”, “đặc tính mềm”, “đường biên mềm”
2


của hệ thống và các tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm, tiêu chuẩn Parabol,
luận án đã phân tích, đánh giá và nêu ra phương pháp đánh giá dự trữ ổn
định của hệ nhiều tầng trong công nghiệp nói chung và quá trình nhiệt nói
riêng. Chương 2 cũng trình bày phương pháp xác định nghiệm đặc tính của
hệ tầng dựa trên đặc tính mềm bằng phương pháp đồ thị.

Chương 3 xây dựng phương pháp chỉnh định hệ điều khiển quá trình
nhiệt nhiều tầng dựa trên “chỉ số dao động mềm” và “cấu trúc bền vững
chất lượng cao của hệ thống”. Dựa trên nền tảng lý thuyết, chương này trình
bày phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển trong hệ tầng để đưa ra công
thức các bộ điều khiển bền vững, sau đó thực thi chúng. Trong chương này,
luận án cũng rút ra phương pháp và quy trình chỉnh định các bộ điều khiển
trong hệ thống tầng nói chung và hệ hai tầng nói riêng. Đánh giá và so sánh
chất lượng của một hệ thống quá trình nhiệt được chỉnh định theo phương
pháp đề xuất với một số phương pháp chỉnh định khác.
Chương 4 trình bày hệ thống thử nghiệm kiểm chứng các kết quả nghiên
cứu lý thuyết thu được. Hệ thực nghiệm xây dựng theo cấu trúc hai vòng
điều khiển mức nước trong thùng chứa có dòng chảy liên tục, bao gồm hai
bộ điều khiển PID được chỉnh định theo phương pháp đã đề xuất trong luận
án.
5. Những kết quả khoa học chủ yếu của luận án
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao động mềm, đặc tính mềm, luận án rút ra
công thức đặc tính mềm của hệ điều khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong
công nghệ nhiệt. Chứng minh đặc tính mềm này hội tụ. Điều đó cho phép áp
dụng tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn Parabol để đánh giá dự
trữ ổn định của hệ tầng.
- Dựa trên khái niệm về chỉ số dao động mềm và quan điểm về điều khiển
bền vững chất lượng cao, luận án rút ra cấu trúc của các bộ điều khiển trong
hệ tầng.
- Luận án đề xuất phương pháp lựa chọn tham số các bộ điều khiển hệ nhiều
tầng dựa vào chỉ số dao động mềm tại tần số cắt và thời gian trễ của đối
tượng.
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ thống điều khiển tầng
Trên thực tế đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ điều khiển nhiều

tầng (hay hệ tầng) [12, 15, 27, 31, 60], tuy nhiên hầu như các công trình này
chỉ đưa ra cấu trúc hai tầng.
Theo tác giả Nguyễn Văn Mạnh [69], một hệ thống điều khiển tầng là
hệ thống gồm nhiều vòng điều chỉnh lồng nhau, trong đó nhiệm vụ chủ yếu
3


của mỗi bộ điều khiển là điều khiển đối tượng thuộc cùng vòng. Sơ đồ cấu
trúc của hệ tầng như hình 1.3.

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ điều khiển tầng theo Nguyễn Văn Mạnh
Trong đó: z là tín hiệu giá trị đặt; u là tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển
vòng trong cùng; d1, d2, ..., dn là các tín hiệu nhiễu tác động quy về đầu ra
của các đối tượng; Fi , Ri , Oi, Bi lần lượt là hàm truyền của khâu
Hệ thống điều khiển tầng được ứng dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm [1,
10, 11, 12, 31, 40, 43, 45, 59] sau:
- Tăng độ ổn định của hệ thống nói chung so với hệ một vòng
- Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ
- Giảm sự phi tuyến và tính bất định của đối tượng vòng trong đặc biệt do
cơ cấu chấp hành (các van điều chỉnh) gây ra
1.2 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt nhiều tầng
Hệ thống điều khiển tầng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, đặc
biệt là trong các hệ thống điều khiển quá trình nhiệt ví dụ trong lò hơi nhà
máy nhiệt điện có hệ thống điều khiển độ kinh tế quá trình cháy, hệ thống
điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều khiển mức nước bao hơi ...
1.3 Đặc tính và mô hình đối tƣợng quá trình nhiệt
Điểm đặc trưng của các đối tượng nhiệt là có trễ vận tải và có quán tính
lớn. Do có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầu hết các đối tượng nhiệt cũng
như hệ thống điều khiển tương ứng là những bộ lọc tần số thấp [2]. Theo
tính chất động học, tồn tại phổ biến hai lớp đối tượng điều chỉnh: lớp đối

tượng tĩnh và lớp đối tượng phi tĩnh.
Các đối tượng tĩnh có khả năng thiết lập trạng thái cân bằng tương ứng
với độ lớn của xung đầu vào, nên có tên gọi là đối tượng “có tự cân bằng”.
Các đối tượng điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v.v… là có tự cân
bằng [2].
Các đối tượng phi tĩnh không có khả năng tự thiết lập trạng thái cân
bằng nên có tên gọi là đối tượng "không có tự cân bằng". Ví dụ, các đối
4


tượng điều chỉnh mức chất lỏng thường là những đối tượng không có tự cân
bằng [2]
Mô hình đặc trưng của đối tượng nhiệt [2] là:

Ot (s) 

K
1
 e s
q
s (1  T1s)(1  T2 s)...(1  Tn s )

(1.2)

Mô hình (1.2) cho phép mô tả cả ba đặc điểm cơ bản của các đối tượng
nhiệt: trễ vận tải, tính chất quán tính và tích phân.
1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu hệ điều khiển tầng
1.4.1 Dự trữ ổn định hệ thống điều khiển tầng
Một số tiêu chuẩn dự trữ ổn định được sử dụng để đánh giá dự trữ ổn
định của hệ thống tầng đó là: Dự trữ ổn định Pha và Biên độ theo đường

cong Nyquist, dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol, dự trữ ổn định theo
chỉ số dao động mềm.
1.4.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiều tầng
Có thể chia thành các hướng nghiên cứu chính:
- Cách tiếp cận theo cách chọn cấu trúc bộ điều khiển dạng PID sau đó chọn
tham số.
- Cách tiếp cận dựa theo cấu trúc mô hình nội (IMC).
- Cách tiếp cận dựa trên điều kiện ổn định bền vững cho tất cả các vòng.
1.5 Kết luận
Các hệ thống điều khiển quá trình nhiệt trong đó có hệ thống lò hơi của
nhà máy nhiệt điện sử dụng cấu trúc điều khiển tầng rất phổ biến.
Điểm đặc trưng của các đối tượng nhiệt là có trễ, có quán tính và có tính
bất định. Các đối tượng này có thể phân thành hai lớp với hai dạng hàm
truyền đặc trưng là: khâu quán tính bậc cao có trễ và khâu tích phân có quán
tính có trễ.
Để tính toán chỉnh định hệ nhiều tầng nói chung và trong lĩnh vực điều
khiển quá trình nhiệt nói riêng có thể áp dụng một số phương pháp điển
hình như: Phương pháp Zigler-Nichol, phương pháp mô hình nội IMC,
phương pháp bền vững chất lượng cao. Nhưng hiệu quả áp dụng các
phương pháp này còn nhiều hạn chế vì:
- Phương pháp Zigler – Nichol đơn giản nhưng cho độ quá điều chỉnh
của hệ thống kín lớn và dao động nhiều.
- Phương pháp IMC cho chất lượng đáp ứng vòng kín theo kênh đặt tốt
nhưng khả năng kháng nhiễu kém.
- Phương pháp bền vững chất lượng cao cho chất lượng hệ thống tốt cả
với giá trị đặt và nhiễu nhưng bộ điều khiển có cấu trúc phức tạp, khó
thực thi. Phương pháp này cần phải phát triển hoàn thiện hơn khi áp
dụng cho hệ nhiều tầng.
5

CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC HỆ
TẦNG
2.1 Nền tảng lý thuyết
2.1.1 Chỉ số dao động và dự trữ ổn định của hệ thống
Xét hệ tuyến tính có phương trình đặc tính sau:

a0 s n  a1s n1  ...  an  0

(2.15)

(2.15) có p nghiệm thực sk = –k và q cặp nghiệm phức si,i+1 = –i  j i
mi = βi/ωi gọi là chỉ số dao động của cặp nghiệm phức thứ i.
Cặp nghiệm phức theo chỉ sô dao động là:
(2.16)
si  mii  ji
Cặp nghiệm trội là:
sc  mcc  jc

(2.17)

 
Với mc  min{mi }  min  βi 
i
i
 i 
Cặp nghiệm trội làm ảnh hưởng tới quá trình quá độ của hệ thống kéo
dài và tắt chậm và do đó nó quyết định tính ổn định và dự trữ ổn định của hệ
thống. Vậy, chỉ số dao động và hệ số tắt dần của hệ thống được xác định
theo cặp nghiệm trội.

2.1.2 Chỉ số dao động mềm, đường biên mềm và đặc tính mềm
Chỉ số dao động mềm [67] có công thức như sau:

m( )  m0

1 e

 



(2.18)

Với α ≥ 0 là hệ số mềm hóa, m0 = const là hệ số hay chỉ số dao động ứng
với tần số ω =0
Khi  thay đổi từ  đến +, thì s = m||+j  biến thiên dọc theo đường
cong MON đối xứng qua trục thực gọi là đường biên mềm (hình 2.3) [67].
Do tính đối xứng nên luận án chỉ xét với   0.

Hình 2.3. Các đường giới hạn nghiệm khác nhau
6


Vì tính đối xứng nên trong luận án sử dụng s = m +j thay cho
s = m||+j  để ngầm hiểu là xét với  ≥ 0, còn lại khi  ≤ 0 sẽ đối xứng
qua trục thực.
Đường biên mềm được áp dụng để xác định dự trữ ổn định của hệ thống
theo vị trí các điểm cực. Nếu tất cả các điểm cực của hệ thống nằm bên trái
hoặc nằm trên đường biên mềm cho trước, thì hệ đó có dự trữ ổn định mềm
[67] cho trước.

Nếu thay s = m +j  vào hàm truyền của hệ hở thì được: H(-mω+jω)
gọi là đặc tính mềm của hệ hở [67].
Trường hợp riêng: α =0, khi đó m = m0 = const.
Nếu thay s = m0  +j  vào hàm truyền của hệ hở thì được:
H(-m0ω+jω) gọi là đặc tính cứng của hệ hở [67].
2.1.4 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm
Giả sử hệ hở có chỉ số dao động mềm cho trước (m0 > 0 và α > 0) tức
các nghiệm đặc tính của nó nằm bên trái đường biên mềm đã cho, tiêu
chuẩn dự trữ ổn định mềm [67] như sau:
Điều kiện cần và đủ để các nghiệm đặc tính của hệ kín và hệ hở cùng
nằm bên trái đường biên mềm cho trước là đặc tính mềm của hệ hở không
bao điểm (1,j0).
2.1.5 Ổn định và dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn Parabol
2.1.5.1 Tiêu chuẩn ổn định Parabol [68]
Giả sử hệ hở có q nghiệm đặc tính nằm bên phải và n-q nghiệm nằm bên
trái đường biên mềm đã cho.
Tiêu chuẩn parabol 1 : Điều kiện cần và đủ để hệ kín ổn định là đặc tính
tần số của hệ hở cắt nửa dương parabol (P = Q 2  1) (Q>0) với số điểm
“cắt ra” nhiều hơn số điểm “cắt vào” là q/2, trong đó q là số điểm cực
phải của hệ hở.
Tiêu chuẩn parabol 2: Nếu hệ hở ổn định, thì điều kiện cần và đủ để hệ
kín ổn định là số điểm “cắt ra” và số điểm “cắt vào” giữa đặc tính tần số
của hệ hở và nửa parabol dương, bằng nhau.
2.1.5.2 Tiêu chuẩn dự trữ ổn định Parabol theo chỉ số dao động mềm [68]
Giả sử hệ hở có q nghiệm đặc tính nằm bên phải và n-q nghiệm nằm bên
trái đường biên mềm đã cho.
Tiêu chuẩn Parabol mở rộng 1: Điều kiện cần và đủ để hệ kín có độ dự
trữ ổn định mềm cho trước là đặc tính mềm của hệ hở tương ứng cắt nửa
dương parabol với số điểm “cắt ra” lớn hơn số điểm “cắt vào” là q/2
Tiêu chuẩn Parabol mở rộng 2: Điều kiện cần và đủ để hệ kín bảo toàn

độ dự trữ ổn định mềm của hệ hở là số điểm “cắt ra” và số điểm “cắt vào”
giữa đặc tính mềm hệ hở và nhánh parabol dương bằng nhau.
2.1.5.3 Điều kiện đủ của tiêu chuẩn Parabol [68]
7


Điều kiện đủ để cho hệ thống kín bảo toàn độ dự trữ ổn định của hệ hở
ban đầu sau khi nối kín các liên hệ ngược từ hệ hở đó, là: Qmax  0 với
Qmax là tung độ điểm “cắt vào’’ cao nhất của đặc tính mềm với nửa dương
parabol P = Q2  1.
2.2 Áp dụng chỉ số dao động mềm để nghiên cứu hệ tầng
2.2.1 Cấu trúc một vòng tương đương của hệ tầng và hàm truyền hở của
hệ thống [CT 1, 4]
Theo sơ đồ cấu trúc của hệ nhiều tầng hình 1.3 ta có thể biến đổi như
sau: Chọn Rk làm một khâu (bộ) điều khiển và biến đổi tương đương để đi
đến sơ đồ hệ một vòng tương đương như hình 2.12.
Trong đó: WK là hàm truyền của hệ tầng trực thuộc tính từ đầu ra của Rk
đến đầu vào của Ok, OTk là hàm truyền tương đương của phần mạch, tính từ
đầu ra của Ok đến đầu vào của Rk
OTk

WK

-

Rk

-

Rk+1

Rn

On

Ok+1

Ok

O1

Ok-2

Ok-1

y

F1

z

-

R1

-

-

Rk-1

-

Fn
F2
Fk+1

Fk-1
Fk

Hình 2.12 Sơ đồ hệ một vòng tương đương của hệ tầng, ứng với khâu điều
chỉnh Rk
Hàm truyền của hệ hở ứng với bộ điều chỉnh thứ k là:
n

k

 R O
Fq

H k  RkWk Ok OTk 

1

q 1
n

i i

i q

n

 F R O
q

q  k 1

(2.44)

i i

i q

2.2.2 Đặc tính mềm của hệ tầng và khả năng đánh giá dự trữ ổn định
2.2.2.1 Đặc tính mềm của hệ tầng [CT 1, 4]
Thay s = m +j  vào Hk trong công thức (2.44) ta được Hk(m+j )
gọi là đặc tính mềm của hệ hở ứng với khâu điều chỉnh R k (hay gọi là đặc
tính mềm tầng thứ k).
Đối tượng điều chỉnh của tầng thứ i biểu diễn dưới dạng sau [2]:

Oi  s  

b0  b1s  b2 s 2  ...  bm s m e i s
 q  OiPT  s  e i s
2
n
1  a1s  a2 s  ...  an s
s
8

(2.45)


Trong đó: b0 là hệ số truyền; a1,...,am, b1,...,bn là các hệ số; q là bậc tích
phân; m là bậc tử thức; n là bậc mẫu thức; m ≤ n; i là độ trễ của đối tượng
thuộc vòng i; OiPT(s) là phần phân thức thuần túy.
Hàm truyền (2.45) là dạng tổng quát của đối tượng tuyến tính trong
công nghiệp nói chung.
Biến đổi (2.44) và thay s = m +j  , ta có công thức đặc tính mềm
của hệ hở tầng thứ k, như sau
k

 e

q m

q 1
n

H k (m  j ) 

1

H q, PT (m  j )e

 j q

(2.47)

e

 q m

H q, PT (m  j )e

 j q

q  k 1

n

 R (s)O

Trong đó: H q, PT ( s)  Fq ( s)

i

iPT ( s)

là phần phân thức

i q

q 

n



i

là tổng độ trễ vận tải của các khâu thuộc các vòng từ

iq

thứ q đến n
2.2.2.2 Sự hội tụ của đặc tính mềm và khả năng đánh giá dự trữ ổn định hệ
tầng
Giới hạn môđun của đặc tính mềm là:
lim H k (m  j )  0
(2.51)
 

Với giả thiết đặc tính mềm không chứa điểm cực của hệ hở thì điều
kiện (2.51) chứng tỏ rằng đặc tính mềm của hệ hở nhiều tầng hội tụ về gốc
toạ độ. Vậy có thể áp dụng tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn
Parabol để đánh giá động học cho hệ thống điều khiển tầng trong trường
hợp đặc tính mềm là đặc tính mềm của hệ tầng hở.
2.2.3 Phương pháp xác định cặp nghiệm trội của hệ tầng
Để tìm nghiệm đặc tính của hệ thống ta chỉ việc đưa đặc tính mềm đi
qua điểm (1;j0) bằng cách thay đổi chỉ số dao động mềm thông qua việc
thay đổi giá trị m0 trong công thức (2.18). Giá trị cặp nghiệm trội được xác
định khi đặc tính mềm đi qua điểm (1;j0) ứng với giá trị tần số cắt c nhỏ
nhất và m0 nhất định [CT 1].
2.4 Kết luận
- Rút ra công thức đặc tính mềm của hệ tầng hở cho các hệ thống điều khiển
nhiều tầng có trễ vận tải trong công nghiệp trong đó có quá trình nhiệt.
- Chứng minh được đặc tính mềm của hệ tầng hở hội tụ về gốc tọa độ, cho
phép áp dụng các tiêu chuẩn dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn Parabol để
đánh giá dự trữ ổn định của hệ điều khiển nhiều tầng. Như vậy có thể dùng

9


đặc tính mềm để đánh giá tính ổn định cũng như chất lượng đáp ứng của hệ
thống điều khiển tầng.
- Trên cơ sở áp dụng đặc tính mềm có thể xác định các nghiệm đặc tính
trong đó có nghiệm trội của hệ tầng. Từ đó cũng có thể đánh giá dự trữ ổn
định của hệ thống bằng cách đánh giá vị trí cặp nghiệm trội của hệ thống so
với đường biên mềm cho trước trên mặt phẳng nghiệm của đa thức đặc tính.
CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH HỆ TẦNG DỰA TRÊN
CHỈ SỐ DAO ĐỘNG MỀM
3.1 Nền tảng lý thuyết
3.1.2 Hệ thống bền vững
Hàm truyền của hệ thống bền vững nhất [4, 69] là:
K
(3.1)
W ( s) 
,  0
1  θs
K là hệ số truyền;  là hằng số quán tính lớn hơn không.
Hàm truyền hệ hở tương ứng [4, 69] :

H ( s) 

K
1  K  θs

Theo [4, 69], chỉ có thể chọn K  1.
3.1.3 Hệ thống bền vững chất lượng cao
Hàm truyền hệ điều khiển bền vững chất lượng cao [4, 69] là:

1
W ( s) 
,
θ0
1  θs
Với   0 thì W(s) 1.
Hàm truyền của hệ hở bền vững chất lượng cao [4, 69] là :

H ( s) 

1
θs

(3.2)

(3.6)

(3.7)

Hàm truyền của bộ điều chỉnh [4, 69], là:
1
(3.8)
R(s) 
O(s)1
θs
Theo [4], bộ điều khiển bền vững có thể được thực thi bằng cách cắt bỏ
thành phần trễ của đối tượng. Khi đó bộ điều khiển trong (3.8) có dạng:
1
R( s ) 
OPT (s)1

(3.9)
θs
OPT(s) là hàm truyền của đối tượng sau khi bỏ thành phần trễ.
3.2 Phƣơng pháp tổng hợp bền vững hệ điều khiển tầng [CT 2, 5]
Các bộ điều khiển trong hệ nhiều tầng sẽ xác định được trên cơ sở quan
điểm tổng hợp hệ bền vững chất lượng cao. Một hệ điều khiển tầng là bền
vững chất lượng cao nếu nó đảm bảo tính chất bền vững chất lượng cao đối
với mỗi hệ một vòng tương đương.
10


Với yêu cầu mỗi hệ một vòng tương đương đều có cấu trúc bền vững
chất lượng cao trên cơ sở (3.7). Như từng hệ một vòng tương đương phải
thoả mãn điều kiện:
1
(3. 10)
Hk 
θk s
Hk là hàm truyền hệ hở vòng thứ k, θk là hằng số quán tính.
Không mất tính tổng quát, giả sử Fk =1.
Để tìm Rk thì từ (2.44) cần phải giải hệ phương trình sau:
n
k

Ri Oi

 j 1 i  j
 H k , k  1, n

n

n
1 
Ri Oi

j  k 1 i  j




(3.12)

 

Từ (3.10) và (3.12) ta được:
R1 

1  2 s

1  2  s

O11

...
Rn 1 

1  n s n2  n1  O1
n1  n 1  n2 s  n1

(3.26)

n 1  n
O 1
n 1  n 1s  n
Từ hệ phương trình (3.26) ta thấy các bộ điều khiển R tại mỗi tầng của hệ
nhiều tầng chỉ phụ thuộc vào các hệ số θk của hai vòng liền kề θk-1, θk+1 và
đối tượng thuộc vòng đó. Để có các bộ điều khiển thì cần phải xác định các
hệ số θk.
Xét trường hợp hệ thống điều khiển quá trình nhiệt:
Trong các hệ thống điều khiển các quá trình nhiệt, độ tác động nhanh của
vòng trong lớn hơn hẳn so với vòng ngoài (tức là độ quán tính và độ trễ của
vòng trong nhỏ hơn hẳn so với vòng ngoài) do đó vòng trong làm việc ở dải
tần cao hơn nhiều so với vòng ngoài. Khi vòng trong tác động thì vòng
ngoài hầu như chưa phản ứng và thể hiện như một mạch đứt. Trong trường
hợp này, công thức (3.26) được đơn giản hóa như sau:
Rn 

R1 

1 1
O
1s 1

...
Rn 1 
Rn 

1

 n 1s
1

n s

On11

On1

11

(3.27)


(3.26) và (3.27) gọi là các bộ điều khiển bền vững lý tưởng và công thức
(3.27) được sử dụng để tổng hợp hệ thống điều khiển quá trình nhiệt.
3.3 Thực thi bộ điều khiển bền vững
Khi đối tượng có thời gian trễ (τ > 0), các bộ điều khiển theo công thức
(3.27) không thực thi được bởi vì nó sẽ chứa khâu dự báo tuyệt đối (thành
phần trễ dương). Theo [4], để đơn giản nhất khi thực thi là loại bỏ thành
phần trễ này trong công thức của các bộ điều khiển. Khi đó hàm truyền các
bộ điều khiển ở công thức (3.27) như sau:
1 1
(3.30)
Rk ( s) 
O (s)
 k s kPT
Với OkPT là phần phân thức của Ok.
Mặt khác nếu n +q >1 (n, q trong công thức (1.2) thì bộ điều khiển bền
vững sẽ có hàm truyền bậc của tử số lớn hơn bậc của mẫu số. Nếu trường
hợp này xảy ra cần phải bù bậc cho bộ điều khiển bằng cách mắc nối tiếp bộ
điều khiển với khâu lọc [CT 5] có hàm truyền:

1
(3.31)
 k ( s) 
(1  0,1Tmin s)n  q 1
Với:
n, q là hằng số trong công thức (1.2)
Tmin là hằng số thời gian nhỏ nhất của đối tượng Ok(s).
Bộ điều khiển bền vững khả thi có cấu trúc là:
1 1
(3.32)
Rk ( s) 
O ( s ) ( s )
k s kPT
*) Một số trường hợp điển hình:
- Nếu hàm truyền của đối tượng vòng thứ k bất kỳ là khâu quán tính bậc
nhất thì bộ điều khiển bền vững có dạng PI.
- Nếu hàm truyền đối tượng vòng thứ k bất kỳ là khâu quán tính – tích phân
bậc nhất có trễ thì bộ điều khiển bền vững có dạng PD.
- Nếu hàm truyền đối tượng vòng thứ k bất kỳ là khâu quán tính bậc hai có
trễ thì bộ điều khiển bền vững có dạng PID.
3.4 Phƣơng pháp xác định các hệ số bộ điều khiển theo chỉ số dao động
mềm [CT 3]
Phần này thực hiện lựa chọn các hệ số θk ở công thức (3.30). Để tạo ra
mối liên hệ giữa bộ điều khiển với dự trữ ổn định của hệ thống và thời gian
trễ của đối tượng, trong mục này tác giả luận án đưa ra một phương pháp
tạo ra mối quan hệ giữa các hệ số của bộ điều khiển với chỉ số dao động
mềm và thời gian trễ của đối tượng. Công thức như sau:

k 

 k em

ck

 arc cot mck 

 arc cot mck 
12

(3.63)

mck 2  1


mck là chỉ số dao động cắt ở vòng thứ k; τk và thời gian trễ của đối
tượng vòng thứ k.
*) Lựa chọn chỉ số dao động cho các vòng [CT 3]
Đối với hệ nhiều tầng yêu cầu chất lượng được xác định cho tín hiệu ra
ở vòng ngoài cùng. Tức là chỉ số dao động m1 ở vòng ngoài cùng là theo
yêu cầu chất lượng hệ thống, còn chỉ số dao động của các vòng trong là
chưa biết. Độ bền vững của vòng trong phải tốt hơn hay ít nhất cũng bằng
vòng ngoài, khi đó chỉ số dao động của vòng trong lớn hơn hoặc bằng chỉ số
dao động của vòng ngoài (mi+1 ≥ mi).
3.5 Chỉnh định lại hệ số khuếch đại của các bộ điều khiển [CT4, 5]
Trong khi tính toán hệ thống, có thể xảy ra trường hợp hệ thống thiếu
dự trữ ổn định hoặc thừa dự trữ ổn định. Vậy phải điều chỉnh hệ thống sao
cho hệ thống vừa đủ dự trữ ổn định cho trước. Đối với hệ thống điều khiển
tầng, để hệ thống vừa đủ dự trữ ổn định cho trước cần phải thì cần điều
chỉnh lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển để đặc tính mềm của hệ hở
tương ứng đi qua điểm (-1, j0).

3.6 Các bƣớc thực hiện chỉnh định hệ thống điều khiển tầng
3.6.1 Trình tự tính toán các bộ điều chỉnh bền vững trong hệ nhiều tầng
Bước 1: Tính toán cho vòng ngoài cùng (k =1)
- Theo yêu cầu chất lượng đã cho, xác định chỉ số dao động cắt của vòng
ngoài cùng mc1 cần thiết.
- Tính hằng số quán tính θ1 theo công thức (3.63) với k =1.
Bước 2: Tính toán cho vòng thứ 2 (k =2)
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2) sao cho mc2 ≥ mc1.
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2.
Bước 3: Nếu hệ thống có n tầng (n>2) thì lặp lại việc tính toán cho từng
vòng theo bước 2 với việc chọn chỉ số dao động vòng trong lớn hơn vòng
ngoài kế tiếp.
Bước 4: Tính toán khâu bù bậc cho các bộ điều khiển theo công thức (3.31).
Thay các hệ số θk tính toán ở các bước trên và khâu bù bậc vào công thức
(3.32) ta được các bộ điều khiển bền vững.
Bước 5: Cho trước m0 và α trong công thức của đặc tính mềm (2.18) để xác
định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống.
Vẽ các đặc tính mềm hệ hở tương ứng với các vòng. Nếu đặc tính mềm
của hệ hở tương ứng với vòng nào đó bao điểm (-1, j0) thì thực hiện chỉnh
định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển của vòng đó để hệ thống vừa đủ
dự trữ ổn định.
Cuối cùng vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống theo kênh đặt và theo kênh
nhiễu để đánh giá chất lượng của hệ thống.
13


3.6.2 Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững dưới dạng PID (bộ
PID bền vững) trong hệ nhiều tầng
Bước 1: Tính toán cho vòng ngoài cùng (k =1)
'

- Mô hình hóa các đối tượng trong hệ tầng O1 thành O1 có dạng hàm truyền

là các khâu quán tính bậc nhất có trễ, khâu quán tính – tích phân bậc nhất có
trễ hoặc khâu quán tính bậc hai có trễ. Nếu đối tượng O1 có dạng hàm
truyền là khâu trên thì không cần phải thực hiện mô hình hóa, lúc này
O1'  O1 .
- Theo yêu cầu chất lượng đã cho, xác định chỉ số dao động cắt của vòng
ngoài cùng mc1 cần thiết.
- Tính hằng số quán tính θ1 theo công thức (3.63) với k =1.
Lưu ý hằng số thời gian trễ trong công thức (3.63) là hằng số thời gian
'
trễ của đối tượng O1 .

Bước 2: Tính toán cho vòng thứ 2 (k =2)
- Mô hình hóa các đối tượng trong hệ tầng O2 thành O2' có dạng hàm truyền
là các khâu quán tính bậc nhất có trễ, khâu quán tính – tích phân bậc nhất có
trễ hoặc khâu quán tính bậc hai có trễ. Nếu đối tượng O2 có dạng hàm
truyền là khâu trên thì không cần phải thực hiện mô hình hóa, lúc này

O2'  O2 .
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2) sao cho mc2 ≥ mc1.
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2.
Lưu ý hằng số thời gian trễ trong công thức (3.63) là hằng số thời gian
trễ của đối tượng O2' .
Bước 3: Nếu hệ thống có n tầng (n>2) thì lặp lại việc tính toán cho từng
vòng theo bước 2 với việc chọn chỉ số dao động vòng trong lớn hơn vòng
ngoài kế tiếp.
Bước 4: Thay các hệ số θk tính toán được ở các bước trên vào công thức
(3.30) để đưa ra công thức các bộ điều khiển bền vững dưới dạng PID.
'

Chú ý là các đối tượng Ok trong công thức (3.30) là các đối tượng Ok .
Bước 5: Cho trước m0 và α trong công thức của đặc tính mềm (2.18) để xác
định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống.
Vẽ các đặc tính mềm hệ hở tương ứng với các vòng. Nếu đặc tính mềm
của hệ hở tương ứng với vòng nào đó bao điểm (-1, j0) thì thực hiện chỉnh
định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển của vòng đó để hệ thống vừa đủ
dự trữ ổn định.

14


Cuối cùng vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống theo kênh đặt và theo kênh
nhiễu để đánh giá chất lượng của hệ thống.
3.6.3 Trường hợp hệ hai tầng
Xét hệ thống với cấu trúc điều khiển hai tầng hình 3.4.
V1
y

z
-

R1

-

R2

O2

O1

Hình 3.4 Sơ đồ hệ một vòng tương đương ứng với bộ điều khiển R1
Cách 1: Xác định các bộ điều khiển theo đối tượng từng vòng, tức là sử
dụng công thức các bộ điều khiển trong (3.32). Trình tự tính toán các bộ
điều khiển bền vững giống như mục 3.6.1 hoặc tính toán các bộ PID bền
vững giống như mục 3.6.2.
Cách 2: Xác định bộ điều khiển vòng trong theo đối tượng vòng trong (sử
dụng công thức (3.35)), bộ điều khiển vòng ngoài theo đối tượng tương
đương V1 thể hiện trên hình 3.7.
Từ hình 3.7, hàm truyền của đối tượng tương đương V1 là:
ROO
V1  2 2 1
1  R2O2

(3.67)

Với V1PT là hàm truyền của V1 sau khi bỏ trễ. Tổng hợp bộ điều khiển
R1 theo quan điểm bền vững [4, 74] sẽ được:
1 1
R1 ( s) 
V ( s)
1s 1PT

(3.68)

θ1 tính theo công thức (3.63) với τ trong công thức này là thời gian trễ
của đối tượng tương đương V1.
 Trình tự tính toán các bộ điều khiển bền vững trong trường hợp này
được thực hiện như sau:

Bước 1: Tính toán cho vòng trong (tầng thứ 2 ứng với k =2)
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2).
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2.
Lưu ý hằng số thời gian trễ trong công thức (3.63) là hằng số thời gian
trễ của đối tượng O2.
- Tính toán khâu bù bậc cho bộ điều khiển vòng trong theo công thức (3.31).
- Thay hệ số θ2 và khâu bù bậc vào công thức (3.32) ta được bộ điều khiển
bền vững cho vòng trong.
15


Bước 2: Tính toán cho vòng ngoài (k =1)
- Tính hàm truyền của đối tượng tương đương V1 theo công thức (3.67).
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc1): mc1 ≤ mc2
- Tính hằng số quán tính θ1 theo công thức (3.63) với k =1.
Lưu ý thời gian trễ trong công thức (3.63) là thời gian trễ của đối tượng V1.
- Tính toán khâu bù bậc cho bộ điều khiển vòng ngoài theo công thức
(3.31).
- Thay hệ số θ1 và khâu bù bậc vào công thức (3.32) ta được bộ điều khiển
bền vững cho vòng ngoài.
Bước 3: Cho trước m0 và α trong công thức của đặc tính mềm (2.18) để xác
định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống.
Vẽ các đặc tính mềm hệ hở tương ứng với các vòng. Nếu đặc tính mềm
của hệ hở tương ứng với vòng nào đó bao điểm (-1, j0) thì thực hiện chỉnh
định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển của vòng đó để hệ thống vừa đủ
dự trữ ổn định.
Cuối cùng vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống theo kênh đặt và theo kênh
nhiễu để đánh giá chất lượng của hệ thống.
 Trình tự tính toán các bộ điều khiển PID bền vững
Bước 1: Tính toán cho vòng trong (tầng thứ 2 ứng với k =2)

- Nếu đối tượng O2 có dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất có trễ,
quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ Mô hình
hóa đối tượng O2 về dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất có trễ,
quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ ( O2' ). Nếu
đối tượng O2 có dạng hàm truyền là khâu trên thì không cần phải thực hiện
mô hình hóa, lúc này O2'  O2 .
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc2).
- Tính hằng số quán tính θ2 theo công thức (3.63) với k =2.
'
Lưu ý thời gian trễ trong công thức (3.63) là thời gian trễ của đối tượng O2 .

- Thay hệ số θ2 vào công thức (3.30) ta được bộ điều khiển PID bền vững
cho vòng trong.
Bước 2: Tính toán cho vòng ngoài (k =1)
- Tính hàm truyền của đối tượng tương đương V1 theo công thức (3.67).
- Mô hình hóa đối tượng V1 về dạng hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất
có trễ, quán tính bậc hai có trễ hoặc quán tính – tích phân bậc nhất có trễ
( V1' ). Nếu đối tượng V1 có dạng hàm truyền là khâu trên thì không cần phải
thực hiện mô hình hóa, lúc này V1'  V1 .
- Chọn chỉ số dao động cắt cho vòng này (mc1): mc1 ≤ mc2
- Tính hằng số quán tính θ1 theo công thức (3.63) với k =1.
16


'

Lưu ý thời gian trễ trong công thức (3.63) là thời gian trễ của đối tượng V1 .
- Thay hệ số θ1 vào công thức (3.30) ta được bộ điều khiển PID bền vững
cho vòng ngoài.
Bước 3: Cho trước m0 và α trong công thức của đặc tính mềm (2.18) để xác

định đường biên mềm hay độ dự trữ ổn định cho trước của hệ thống.
Vẽ các đặc tính mềm hệ hở tương ứng với các vòng. Nếu đặc tính mềm
của hệ hở tương ứng với vòng nào đó bao điểm (-1, j0) thì thực hiện chỉnh
định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển của vòng đó để hệ thống vừa đủ
dự trữ ổn định.
Cuối cùng vẽ đáp ứng quá độ của hệ thống theo kênh đặt và theo kênh
nhiễu để đánh giá chất lượng của hệ thống.
3.7 Đánh giá và so sánh chất lƣợng của hệ thống với bộ điều khiển bền
vững
Xét một hệ thống quá trình nhiệt [30, 35] được thể hiện trên hình 3.5.

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hai tầng
Trong đó: O1, O2 là hàm truyền các đối tượng vòng ngoài và vòng trong;
R1, R2 là hàm truyền các bộ điều khiển vòng ngoài và vòng trong; B1, B2 là
các hàm truyền của nhiễu d1 và d2.
Các hàm truyền là:
1 0,5s
1
B2 (s)  O2 (s) 
e
;
B1 (s)  O1 (s) 
e3s
s 1
s(1  10s)(1  2s)
Giả sử yêu cầu về dự trữ ổn định với chỉ số dao động mềm trong (2.18) sau:
m( )  1, 6

3 

1 e
3

Đáp ứng bước theo kênh đặt và kênh nhiễu vòng trong của hệ thống với
bộ điều khiển bền vững nguyên bản là đường cong 1, với bộ PID bền vững
là đường cong 2, với bộ PID theo [30] là đường cong 3 và với bộ PID theo
[35] là đường cong 4 trên hình 3.19 và hình 3.20.
Nhận xét:
- Các bộ điều khiển bền vững và PID bền vững được tổng hợp tham số dựa
vào yêu cầu về dự trữ ổn định của hệ thống, vậy chúng có tính linh hoạt.
- Với yêu cầu về dự trữ ổn định đã cho ở trên, hệ thống sử dụng các bộ điều
khiển bền vững và các bộ PID bền vững đều đảm bảo về dự trữ ổn định, còn
17


khi hệ thống sử dụng các bộ điều khiển theo [30, 35] thì không đảm bảo về
dự trữ ổn định.
- Thời gian điều chỉnh nhỏ hơn nhiều khi sử dụng bộ điều khiển bền vững
so với việc sử dụng các bộ điều khiển dạng PID, nhiễu vòng trong cũng bị
dập nhanh hơn rõ rệt.

Hình 3.19. Đáp ứng bước giá trị đặt của hệ thống

Hình 3.19. Đáp ứng bước với nhiễu vòng trong của hệ thống
3.8 Kết luận
- Đưa ra công thức tổng quát về cấu trúc của các bộ điều khiển trong hệ
thống điều khiển tầng dựa trên quan điểm bền vững chất lượng cao.
- Thực thi hóa các bộ điều khiển bền vững cho hệ tầng với các đối tượng
nhiệt.
- Lựa chọn tham số các bộ điều khiển dựa vào chỉ số dao động mềm tại tần

số cắt và thời gian trễ của đối tượng vòng.
- Chỉnh định lại hệ số khuếch đại của bộ điều khiển để đảm bảo cho toàn hệ
thống có độ dự trữ ổn định cho trước.
18


- Đưa ra quy trình chỉnh định hệ thống điều khiển nhiều tầng nói chung và
hệ hai tầng, chỉnh định cho hệ hai tầng cụ thể.
- Đánh giá và so sánh chất lượng của hệ thống được chỉnh định theo phương
pháp đề xuất với các phương pháp khác.
CHƢƠNG 4. THÍ NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG
4.1 Hệ thống điều khiển mức nƣớc
Để mô phỏng quá trình động học của hệ thống điều khiển mức nước
trong bao hơi của lò hơi tác giả luận án sử dụng mô hình mô phỏng
(hình 4.2) như sau: Bồn nước C đặc trưng cho bao hơi. Nước được đưa vào
bồn C thông qua hệ thống đường ống phía trên của bồn C. Trên đoạn đường
ống trước khi vào bồn có đặt một van điều khiển (Van ĐK) bằng tín hiệu
điện với mục đích điều chỉnh lưu lượng nước vào bồn. Nước trong bồn
được xả thông qua van V5. Để đo lưu lượng nước vào bồn đặt một cảm
biến lưu lượng trên đoạn đường ống trước Van ĐK, và đo mức nước trong
bồn bằng cách đặt cảm biến mức ở bình thông nhau với bồn C.
Dưới đây là hình ảnh mô hình thí nghiệm thực tế.

4.1.2 Nguyên lý điều khiển của hệ thống (hình 4.2)
Hoạt động của hệ thống như sau: Giá trị đặt của mức nước và giá trị đo
được từ cảm biến mức H đưa vào bộ điều khiển vòng ngoài. Bộ điều khiển
vòng ngoài tính toán và đưa ra tínhiệu làm giá trị đặt cho bộ điều khiển
vòng trong. Tín hiệu từ cảm biến đo lưu lượng nước Wnc cũng được đưa vào
bộ điều khiển vòng trong. Bộ điều khiển vòng trong sẽ tính toán tính toán và
phát ra tín hiệu để điều chỉnh van ĐK. Vậy hệ thống gồm hai vòng điều

chỉnh với sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống như trên hình 4.3.
19


Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển mức nước
Trong đó: z là tín hiệu giá trị đặt; u là tín hiệu điều khiển van; y2 là tín hiệu
lưu lượng nước cấp Wnc; y1 là tín hiệu mức H, d2 là nhiễu áp suất trước van,
d1 là nhiễu van xả V5.
4.2 Tiến hành thí nghiệm và nhận dạng đối tƣợng
Hình ảnh đồ thị số liệu trong quá trình thu thập được thể hiện trên trên
hình 4.7 với chu kỳ lấy mẫu là 0,5s.
Chuỗi số liệu sử dụng để mô hình hóa đối tượng được lấy trong khoảng
thời gian Δt1 = 160s từ to = 200s đến t1 = 360s của quá trình thu thập dữ liệu
(hình 4.7). Xử lý số liệu này trước khi thực hiện mô hình hóa đối tượng như
sau:
- Với số liệu thể hiện lưu lượng nước Wnc: Giữ nguyên chu kỳ lấy mẫu là
0,5s; chuyển mốc thời gian bắt đầu lấy số liệu về 0s; xử lý làm trơn số liệu;
mô phỏng trong khoảng thời gian 5s đầu được đáp ứng thực nghiệm như
trên hình 4.8.
20


Hình 4.7. Đường cong thu thập dữ liệu u, Wnc, H theo thời gian

Hình 4. 8 Đáp ứng bước của vòng trong
- Với số liệu thể hiện mức nước H: Lấy mẫu theo chu kỳ 5s, chuyển mốc
thời gian bắt đầu lấy số liệu về 0s, chuyển giá trị mức nước về 0 mm và mô
phỏng trong khoảng thời gian 160s đầu được đáp ứng thực nghiệm trên

hình 4.9.
21


Hình 4.9 Đáp ứng bước của hệ thống(vòng ngoài)
Đặc tính trên hình 4.8 là đặc tính của van điều khiển hay đáp ứng đối
tượng vòng trong) còn đặc tính trên hình 4.9 là khâu toàn phần G(s) bao
gồm hai đối tượng van điều khiển và bồn nước C nối tiếp nhau hay chính là
đáp ứng hệ thống (hình 4.10).

Hình 4.10 Sơ đồ các đối tượng trong hệ thống trong quá trình thu thập dữ
liệu để nhận dạng
Sau khi thực hiện mô hình hóa theo phương pháp [69] ta được:
Hàm truyền của đối tượng van điều khiển là:
O2 (s) 

2

1  0, 23s 1  0, 23s 

e0,439s

Hàm truyền của đối tượng bồn nước C là:
70,305(1  0, 23s ) 1  0, 23s  2,561s
O1 (s) 
e
1  3, 475s  (1  26030s)
Đáp ứng mô hình của đối tượng van thể hiện trên hình 4.8 và đáp ứng
mô hình của hệ thống thể hiện trên hình 4.9.
4.3 Chỉnh định hệ thống

Chỉnh đinh hệ thống với các bộ điều khiển bền vững nhận được là:
22


R2 (s)  0,845

1  0, 23s 1  0, 23s  ;
s 1  0, 023s 

R1 (s)  0, 003

1  3, 475s  (1  26030s)
s(1  0, 23s) 1  0, 23s 

Khi đó, đáp ứng bước của hệ thống theo giá trị đặt là đường cong a trên
hình 4.13 với chất lượng hệ thống đạt được như sau:
Hệ số tắt dần của hệ thống   0,9 , độ quá điều chỉnh δ% = 15,4%,
thời gian điều chỉnh là: Tqt = 15,72s, chỉ tiêu tích phân sai số tuyệt đối là:


I c   |  (t ) | dt  6,55
0

Hình 4.13 Đáp ứng bước của hệ thống theo kênh đặt
Chỉnh định hệ thống với bộ PID bền vững ta được các bộ điều khiển là:


1

1



R2 (s)  0,389 1 
 0,115s  ; R1  92, 6 1 
 3, 455s 
 26033s

 0, 46

Đáp ứng bước của hệ thống theo giá trị đặt là đường cong b trên
hình 4.13 với chất lượng hệ thống đạt được như sau:
Hệ số tắt dần của hệ thống   0,9 , độ quá điều chỉnh δ% = 19,4%, thời
gian để hệ thống đi vào ổn định là: Tqt = 13,29 giây, chỉ tiêu tích phân sai số


tuyệt đối là: I  |  (t ) | dt  5,695
c

0

4.3.3 Kết quả thử nghiệm
Sử dụng bộ điều khiển PID bền vững vào thực nghiệm ta được đáp ứng
bước của hệ thống theo giá trị đặt là đường cong c trên hình 4.13 với chất
lượng hệ thống như sau:
Hệ số tắt dần của hệ thống   0,9 , độ quá điều chỉnh δ% = 15,2%, thời
23


gian để hệ thống đi vào ổn định là: Tqt = 15,9 giây, chỉ tiêu tích phân sai số


tuyệt đối là: I  |  (t ) | dt  7,54 .
c

0

4.4 Kết luận
- Các chỉ tiêu về chất lượng quá trình quá độ giữa mô phỏng và thực tế khác
nhau thể hiện sự sai lệch giữa mô hình đối tượng mô phỏng và mô hình thực
nghiệm. Tuy nhiên sai lệch giữa mô phỏng và thực tế không quá lớn.
- Hệ thống đảm bảo bền vững và chất lượng đảm bảo hệ số tắt dần của hệ
thống cả trường hợp mô phỏng trên máy tính và kết quả chạy thực không
nhỏ hơn 0,9.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Những đóng góp chính của luận án:
1. Rút ra công thức đặc tính mềm của hệ tầng hở cho các hệ thống điều
khiển nhiều tầng có trễ vận tải trong công. Chứng minh đặc tính mềm
này hội tụ về gốc tọa độ. Điều đó cho phép áp dụng hiệu quả tiêu chuẩn
dự trữ ổn định mềm và tiêu chuẩn Parabol để đánh giá dự trữ ổn định
cho các hệ thống điều khiển đa tầng.
2. Đề xuất phương pháp xác định nghiệm đặc tính của hệ tầng dựa theo đặc
tính mềm của hệ tầng hở. Từ đó có thể đánh giá dự trữ ổn định của hệ
điều khiển nhiều tầng bằng cách đánh giá vị trí cặp nghiệm trội so với
đường biên mềm trên mặt phẳng nghiệm của đa thức đặc tính.
3. Rút ra công thức xác định cấu trúc các bộ điều khiển trong hệ thống điều
khiển nhiều tầng cho các quá trình nhiệt dựa theo quan điểm bền vững
chất lượng cao. Thực hiện thực thi hóa các bộ điều khiển.
4. Chỉnh định tham số các bộ điều khiển bằng việc thiết lập mối quan hệ
giữa các hệ số của bộ điều khiển với chỉ số dao động mềm tại tần số cắt
và thời gian trễ của đối tượng, đồng thời chỉnh định lại hệ số khuếch đại

của các bộ điều khiển.
5. Xây dựng quy trình chỉnh định hệ thống điều khiển nhiều tầng nói chung
và hệ hai tầng nói riêng.
6. Kết quả thực nghiệm phù hợp với luận điểm của lý thuyết đề xuất.
Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp lựa chọn các hằng số quán tính
của từng vòng bền vững mong muốn theo quan điểm tăng dần độ
bền vững từ vòng trong ra vòng ngoài.
- Nghiên cứu mối tương quan giữa bài toán khử nhiễu trong và vấn
đề bất định của đối tượng cũng như mối tương quan với bài toán
khử nhiễu ngoài.
- Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm.
24