Nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN
PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Hà Nội – 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO THUẬT TOÁN
PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 8520114.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng

Hà Nội – 2019


1

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
THEO THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP
Trần Thị Thu Trang
Khóa QH-2016-I, ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
Tóm tắt luận văn thạc sĩ
Ngày nay, bộ điều khiển PID đóng vai trò quan trọng và đƣợc sử dụng rộng rãi
trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt trong điều khiển phản hồi.Mô–đun
kiểm soát nhiệt độ chất lỏng RYC-TAG của hãng EDIBON đƣợc thiết kế cùng bộ điều
khiển PID cho phép ngƣời dùng đo đạc nhiệt độ chất lỏng, điều khiển hoạt động mô–
đun thông qua phần mềm RYC. Để tính toán các thông số , ,
của bộ điều khiển
PID đƣa vào hệ thống để tiến hành điều khiển, luận văn sử dụng phần mềm Matlab.
Luận văn tập trung nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ chất
lỏng. Việc đo đạc nhiệt độ và tính toán các thông số dựa trên một số tài liệu đƣợc cung
cấp từ nhà sản xuất và quá trình thực nghiệm, từ đó kiểm chứng độ chính xác của thiết
bị đo cũng nhƣ tác dụng của bộ điều khiển PID trong quá trình điều khiển nhiệt độ.
Từ khóa: RYC-TAG, MATLAB, RYC Software, PID.


2

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển nhiệt

độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp” đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng
dẫn của thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề
tài này là trung thực và chƣa công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc đây.

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Trần Thị Thu Trang


3

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TS Phạm
Mạnh Thắng ngƣời đã hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt
quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, giúp em hoàn thành luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô khoa Cơ học kỹ thuật & Tự động
hóa, trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, cung
cấp cho em những kiến thức quý giá và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học
tập tại trƣờng.
Mặc dù đã hết sức cố gắng song luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính
mong thầy cô cùng toàn thể bạn bè đóng góp ý kiến để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin kính chúc thầy cô sức khỏe, thành công trong công việc đào tạo những
thế hệ tri thức tƣơng lai.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Trần Thị Thu Trang

4

MỤC LỤC
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ THEO
THUẬT TOÁN PID VỚI CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP ...................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 2
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 3
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ..................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.................................................................... 8
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 10
1. CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT PID ............................................................................ 12
1.1.

Khái quát bộ điều khiển PID ............................................................................ 12

1.1.1.

1.1.1.1.

Hoạt động tỷ lệ ................................................................................... 12

1.1.1.2.

Đáp ứng của hệ thống theo điều khiển tỷ lệ ....................................... 15

1.1.1.3.

Các ứng dụng của điều khiển theo tỷ lệ ............................................. 19

1.1.2.

Điều khiển tích phân ................................................................................. 22

1.1.2.1.

Điều khiển thả nổi .............................................................................. 22

1.1.2.2.

Hoạt động tích phân ........................................................................... 22

1.1.2.3.

Đáp ứng của hệ thống điều khiển tích phân ....................................... 23

1.1.2.4.

Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân.............................................. 24

1.1.2.5.

Đáp ứng của hệ thống điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân .......... 26

1.1.3.

1.2.

Điều khiển tỷ lệ ......................................................................................... 12

Điều khiển vi phân .................................................................................... 29

1.1.3.1.

Hoạt động vi phân .............................................................................. 29

1.1.3.2.

Điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân ................................................ 30

Các phƣơng pháp xác định tham số bộ điều khiển PID ................................... 33

1.2.1.

Phƣơng pháp Ziegler – Nichols ................................................................ 33

1.2.2.

Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick.................................................. 35

1.2.3.

Phƣơng pháp lấy giá trị bằng phần mềm................................................... 37

1.3.

Đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển ........................................................ 37

1.3.1.

Sai số xác lập ............................................................................................. 37


5

1.3.2.

Đáp ứng quá độ ......................................................................................... 38

2. CHƢƠNG 2: KHẢO SÁT MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG HỆ
THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ NƢỚC .................................................................................. 40
2.1.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị điều khiển nhiệt độ RYC-TAG ........ 40

2.1.1.

Cấu tạo....................................................................................................... 40

2.1.2.

Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 42

2.2.

Mô–đun RYC ................................................................................................... 44

2.3.

Phần mềm RYC ............................................................................................... 48

3. CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ
HÌNH ĐO ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƢỚC .............................................................. 50
3.1.

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 50

3.2.

Mô–đun RYC ................................................................................................... 50

3.2.1.

Đáp ứng của hệ thống bậc nhất trong miền thời gian ............................... 50

3.2.2.

Cấu trúc bộ điều khiển PID ....................................................................... 53

3.2.3.

Điều khiển PID của hệ thống bậc nhất ...................................................... 58

3.3.

Mô–đun RYC-TAG ......................................................................................... 60

3.3.1.

Mô hình toán học của hệ thống trao đổi nhiệt........................................... 60

3.3.2.

Xác định đặc tính mô–đun điều khiển nhiệt độ dòng chất lỏng................ 63

3.3.3.

Mô phỏng trong Matlab ............................................................................ 65

3.3.3.1.

Giới thiệu phần mềm Matlab .............................................................. 65

3.3.3.2.

Sơ đồ mô phỏng.................................................................................. 67

3.3.3.3.
3.3.4.

Mô phỏng với các giá trị

,

,

................................................... 68

Điều khiển nhiệt độ dòng chảy mô–đun RYC-TAG bằng PID ................ 70

4. KẾT LUẬN............................................................................................................. 73
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 74


6

DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
PID

Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân

MATLAB

MATrix LABoratory

Phần mềm lập trình và tính toán

B.P

BandPass

Dải

GUI

Graphical User Interface

Giao diện đồ họa ngƣời dùng

CPU

Central Processing Unit

Bộ vi xử lý trung tâm

ST

Sensor Temperature

Cảm biến nhiệt độ

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

LED

Light Emitting Diode

Điốt phát quang

LAG/LEAD

Hệ thống bù

Cold Fluid

Dòng nƣớc lạnh

Hot Fluid

Dòng nƣớc nóng
Hệ số tỷ lệ
Hệ số tích phân
Hệ số vi phân

IN

Đầu vào

OUT

Đầu ra

A

Khu vực trao đổi nhiệt
Nhiệt dung riêng chất lỏng lạnh
Nhiệt dung riêng chất lỏng nóng
Tốc độ dòng chảy chất lỏng lạnh
Tốc độ dòng chảy chất lỏng nóng
Khối lƣợng chất lỏng lạnh
̇
̇

Khối lƣợng chất lỏng nóng
Nhiệt độ đầu ra chất lỏng lạnh
Nhiệt độ đầu vào chất lỏng lạnh
Nhiệt độ đầu ra chất lỏng nóng
Nhiệt độ đầu vào chất lỏng nóng

U

Hệ số truyền nhiệt


7

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ nhất ................... 34
Bảng 1.2 Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ hai ..................... 35
Bảng 1.3 Các tham số PID theo phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 1 ............... 36
Bảng 1.4 Các tham số PID theo phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 2 ............... 36
Bảng 1.5 Các tham số PID theo phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 3 ............... 36
Bảng 1.6 Các tham số PID theo phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 4 ............... 37


8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Điều khiển theo tỷ lệ.......................................................................................12
Hình 1.2 Thay đổi độ nghiêng đƣờng hoạt động bộ điều khiển theo tỷ lệ ....................13
Hình 1.3 Sự biến thiên của dải tỷ lệ ..............................................................................14
Hình 1.4 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ .............................................................15
Hình 1.5 Điều khiển tự động nhiệt độ đầu ra chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt[10,

pp.28] .............................................................................................................................15
Hình 1.6 Đƣờng tải quá trình .........................................................................................16
Hình 1.7 Các điều kiện hoạt động hệ thống theo số liệu thiết kế ..................................16
Hình 1.8 Hệ thống điều khiển theo tỷ lệ ........................................................................17
Hình 1.9 Sự biến thiên tải trong quá trình .....................................................................18
Hình 1.10 Điều chỉnh thủ công đối với biến thiên tải ...................................................18
Hình 1.11 Chuyển dịch pha giữa biến và hoạt động hiệu chỉnh ...................................20
Hình 1.12 Hệ thống đƣợc điều khiển với độ trễ động học đáng kể...............................20
Hình 1.13 Đồ thị dao động của biến điều khiển ............................................................21
Hình 1.14 Đáp ứng của bộ điều khiển tích phân ...........................................................23
Hình 1.15 Đáp ứng quá trình bằng điều khiển tích phân ..............................................24
Hình 1.16 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân ..............................25
Hình 1.17 Đáp ứng quá trình với điều khiển theo tỷ lệ kết hợp tích phân ....................27
Hình 1.18 Tác động tỷ lệ đặt lại đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ kết hợp tích phân .28
Hình 1.19 Tác động biên độ dải tỷ lệ đến đáp ứng hệ thống điều khiển tỷ lệ + tích phân ...28
Hình 1.20 Đáp ứng của bộ điều khiển vi phân ..............................................................30
Hình 1.21 Sự đáp ứng bộ điều khiển theo tỷ lệ kết hợp vi phân ...................................31
Hình 1.22 Thời gian tỷ lệ...............................................................................................32
Hình 1.23 Tác động của hoạt động vi phân ...................................................................33
Hình 1.24 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ................................................................34
Hình 1.25 Xác định hằng số khuyếch đại tới hạn..........................................................34
Hình 1.26 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k=
..............................................................35
Hình 1.27 Đáp ứng nấc của hệ thích hợp theo phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick
.......................................................................................................................................35
Hình 1.28 Hệ thống hồi tiếp âm ....................................................................................37
Hình 1.29 Sai số xác lập ................................................................................................37
Hình 1.30 Hiện tƣợng vọt lố ..........................................................................................38
Hình 1.31 Độ vọt lố .......................................................................................................38
Hình 1.32 Thời gian quá độ ..........................................................................................38

Hình 1.33 Thời gian lên .................................................................................................39
Hình 2.1 Mô–đun RYC-TAG [12, pp.2] .......................................................................40
Hình 2.2 Mô–đun kiểm soát nhiệt độ chất lỏng ............................................................41
Hình 2.3 Cấu tạo hộp giao diện điều khiển ...................................................................42
Hình 2.4 Mô hình dòng trao đổi nhiệt ...........................................................................43
Hình 2.5 Mô–đun RYC [11, pp.2] .................................................................................44
Hình 2.6 Mô–đun tín hiệu tham chiếu ...........................................................................45
Hình 2.7 Mô–đun điều khiển PID và LAG/LEAD .......................................................46
Hình 2.8 Mô–đun hệ thống bậc một ..............................................................................46


9

Hình 2.9 Mô–đun hệ thống bậc hai ...............................................................................47
Hình 2.10 Mô–đun hệ thống tích hợp............................................................................47
Hình 2.11 Mô–đun bù ....................................................................................................48
Hình 2.12 Mô–đun đầu vào [11, pp.11] ........................................................................48
Hình 2.13 Phần mềm RYC [11, pp.41] .........................................................................49
Hình 3.1 Kết nối bài thực hành hệ thống bậc nhất miền thời gian [11, pp.59] .............51
Hình 3.2 Đồ thị (1) thể hiện bƣớc phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian .............51
Hình 3.3 Đồ thị (2) thể hiện bƣớc phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian .............52
Hình 3.4Đồ thị (3) thể hiện bƣớc phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian ..............52
Hình 3.5 Đồ thị (4) thể hiện bƣớc phản ứng hệ thống bậc nhất theo thời gian .............52
Hình 3.6 Cấu trúc bộ điều khiển PID [11, pp.75] .........................................................53
Hình 3.7 Kết nối bài thực hành cấu trúc bộ điều khiển PID [11, pp.75] .......................54
Hình 3.8 Phản ứng bộ P với =0.5 .............................................................................54
Hình 3.9 Phản ứng bộ P với =1 ................................................................................55
Hình 3.10 Phản ứng bộ P với =1.5 ...........................................................................55
Hình 3.11 Phản ứng bộ P với =2 ..............................................................................55
Hình 3.12 Phản ứng khi có I và =2 ...........................................................................56

Hình 3.13 Phản ứng bộ D với
=10ms.......................................................................57
Hình 3.14 Phản ứng bộ D với
=80ms.......................................................................57
Hình 3.15 Phản ứng bộ D với
=150ms.....................................................................57
Hình 3.16 Kết nối điều khiển PID cho hệ thống bậc nhất [11, pp.78] ..........................58
Hình 3.17 Phản ứng hệ thống bậc nhất dùng PID với = 1 ........................................59
Hình 3.18 Phản ứng hệ thống bậc nhất dùng PID với = 1,
......................59
Hình 3.19 Phản ứng hệ thống bậc nhất dùng PID với = 1,
......................60
Hình 3.20 Phản ứng hệ thống bậc nhất dùng PID với = 1,
60
Hình 3.21 Hệ thống trao đổi nhiệt .................................................................................61
Hình 3.22 Sơ đồ khối đặc tính RYC-TAG ....................................................................63
Hình 3.23 Sơ đồ khối đơn giản RYC-TAG ...................................................................64
Hình 3.24 Kết nối bài thực hành đặc tính mô–đun kiểm soát dòng chất lỏng [12, pp.20]
.......................................................................................................................................64
Hình 3.25 Phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng chất lỏng tần số 5Hz .............65
Hình 3.26 Giao diện Matlab ..........................................................................................66
Hình 3.27 Giao diện Simulink .......................................................................................67
Hình 3.28 Sơ đồ mô phỏng mô–đun RYC-TAG ...........................................................67
Hình 3.29 Tính toán thông số PID bằng Matlab ...........................................................68
Hình 3.30 Tune PIDvới
...............................................68
Hình 3.31 Thông số chất lƣợngvới
............................69
Hình 3.32 Đáp ứng đầu ra với
....................................69

Hình 3.33 Đáp ứng đầu ra với
.......................................70
Hình 3.34 Mô–đun điều khiển dòng nƣớc với bộ điều khiển PID [12, pp.22] .............71
Hình 3.35 Đồ thị (1) phản ứng của hệ thống điều khiển nhiệt độ nƣớc ........................71
Hình 3.36 Đồ thị (2) phản ứng của hệ thống điều khiển nhiệt độ nƣớc ........................72
Hình 3.37 Đồ thị (3) phản ứng của hệ thống điều khiển nhiệt độ nƣớc ........................72
Hình 3.38 Đồ thị (4) phản ứng hệ thống điều khiển nhiệt độ nƣớc...............................72


10

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Nhƣ chúng ta biết, nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất quan
trọng. Việc thay đổi nhiệt độ của một vật chất ảnh hƣởng đến cấu tạo, tính chất và các
đại lƣợng vật lý khác của vật chất. Ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí sẽ làm
thay đổi thể tích, áp suất chất khí trong bình. Vì vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong
công nghiệp và đời sống sinh hoạt, thu thập các thông số và điều khiển nhiệt độ là điều
cần thiết.
Có nhiều phƣơng pháp điều khiển nhiệt độ. Mỗi phƣơng pháp đều mang đến
một kết quả khác nhau thông qua các phƣơng pháp khác nhau đó.Đối với các phƣơng
pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển
PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) đƣợc dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công
nghiệp. Chất lƣợng hệ thống phụ thuộc vào các tham số , ,
của bộ điều khiển
PID. Vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ đƣợc tính toán cho một chế độ làm việc
cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số
này phù hợp thực tế để phát huy tốt hiệu quả bộ điều khiển.
Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lƣợng các hệ thống điều khiển tự
động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau, với yêu cầu

và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các
phƣơng pháp điều khiển cụ thể cho từng đối tƣợng. Trong luận văn, em sử dụng
phƣơng pháp bộ điều khiển PID và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình
hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ đắc lực trợ giúp việc nghiên cứu,
mô phỏng mô hình đo và điều khiển nhiệt độ.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: RYC-TAG là một ứng dụng điều khiển nhiệt độ đƣợc
thiết kế bởi EDIBON.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều
khiển nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện nghiên cứu đề tài này cần kết hợp hai phƣơng pháp sau:
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các vấn đề về ứng dụng
điềukhiển thích nghi, mô hình điều khiển nhiệt độ, các hàm tối ƣu trong Matlab và tính
toán hỗ trợ hàm tối ƣu.
- Phƣơng pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ƣu trong
phần mềm Matlab và RYC, tạo dữ liệu mô phỏng, kiểm tra.


11

Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài
Thông qua việc tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị, chúng
ta có thể hiểu đƣợc cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị có liên quan ứng
dụng trong công nghiệp, sản xuất, đời sống hàng ngày.
Cấu trúc luận văn
Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu xây dựng mô hình đo và điều khiển
nhiệt độ theo thuật toán PID với các cảm biến công nghiệp. Bố cục luận văn gồm 3
chƣơng:
Chƣơng 1: Lý thuyết PID.

Chƣơng 2: Khảo sát mô hình và nguyên lý hoạt động hệ thống đo nhiệt độ nƣớc.
Chƣơng 3: Nghiên cứu xây dựng và kết quả thực nghiệm mô hình đo điều khiển nhiệt
độ nƣớc.


12

1. CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT PID
1.1.

Khái quát bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát đƣợc sử dụng
rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị
“sai số” là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều
khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách biến điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào
dựa trên sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỷ lệ, tích phân và vi phân.
1.1.1. Điều khiển tỷ lệ
1.1.1.1.

Hoạt động tỷ lệ

Một dụng cụ điều khiển tiến hành điều khiển theo tỷ lệ khi có tỷ lệ đôi một giữa
các tín hiệu đầu ra và đầu vào. Phƣơng trình đặc trƣng của bộ điều khiển theo tỷ lệ có
thể đƣợc viết nhƣ sau:
y =y0 k(x-x0)

(1.1)

y và y0 là các giá trị tức thời và ban đầu của sự mở van điều khiển, x và x0 là các giá

trị tức thời và ban đầu của biến, k là hệ số tỷ lệ. Ký hiệu phụ thuộc vào loại quá
trình điều khiển. Nó là cộng khi van mở thêm khi biến tăng, trừ trong trƣờng hợp
ngƣợc lại, tức là việc mở van bị giảm khi biến tăng. Trƣờng hợp trừ đƣợc thể hiện
trong hình 1.1.

Hình 1.1 Điều khiển theo tỷ lệ
Trong hình 1.1, x2 và x1 tƣơng ứng giá trị cực đại của khoảng biến thiên của
biến đƣợc điều khiển. Khi giá trị ban đầu x0 trùng điểm đặt thì sự chênh lệch x0-x
trùng độ lệch biến, tức là có sai số. Độ nghiêng đƣờng hoạt động phƣơng trình (1.1)


13

phụ thuộc vào giá trị của hệ số tỷ lệ k và biểu thị độ nhạy dụng cụ. Nếu độ nhạy tăng,
đƣờng hoạt động sẽ giảm độ nghiêng của nó.

Hình 1.2 Thay đổi độ nghiêng đường hoạt động bộ điều khiển theo tỷ lệ
Theo hình 1.2, sự biến thiên x2’ – x1’ của biến cần để van điều khiển đi qua
toàn bộ phạm vi là thấp hơn so với sự biến thiên trƣớc đó x2 – x1.
Phƣơng trình biểu diễn đƣờng b) có thể đƣợc viết nhƣ sau:
= y0 + k1(x0 – x)

(1.2)

Nếu p = y/100, p0 = x0/100 và sai số phần trăm tƣơng ứng với e = (x0 – x)/(x2 – x1),
phƣơng trình (1.2) trở thành:
p=

+

e( - )

(1.3)

Hình 1.2 thể hiện rằng:
=
Thay

=

(1.4)

vào phƣơng trình (1.3) đƣợc kết quả:
p=

+e

(1.5)

đƣợc kết quả:

nếu b =

p=

(1.6)

Phƣơng trình (1.6) là công thức thƣờng đƣợc sử dụng biểu diễn dải tỷ lệ; hằng số
b là dải tỷ lệ của dụng cụ; nó là kết quả của hệ số giữa sự chênh lệch của các giá trị của

14

biến tƣơng ứng với các vị trí cực đại của van điều khiển và sự chênh lệch của các giá trị
của biến giới hạn khoảng hoạt động dụng cụ. Do đó dải tỷ lệ là kết quả của một phần
khoảng hoạt động của dụng cụ đƣợc bao gồm bằng sự biến thiên của biến để tín hiệu
đầu ra có thể thay đổi 100%.
Hình 1.3 cho thấy một số đƣờng hoạt động của bộ điều khiển tỷ lệ tƣơng ứng
với các giá trị khác nhau của dải tỷ lệ.

Hình 1.3 Sự biến thiên của dải tỷ lệ
Theo hình 1.3, dải tỷ lệ có thể vƣợt quá 100%, van điều khiển không đạt tới vị
trí đóng và mở toàn bộ, khoảng hoạt động của nó nằm giữa hai vị trí trung gian. Khi
dải tỷ lệ càng rộng thì sự biến thiên của sự mở van càng thấp. Do đó, độ nhạy dụng cụ
cũng phụ thuộc biên độ dải tỷ lệ. Dải tỷ lệ càng hẹp thì độ nhạy càng cao.
Nếu cả hai vế phƣơng trình (1.6) liên quan thời gian, kết quả:
=

(1.7)

Phƣơng trình (1.7) liên kết tốc độ dịch chuyển của bộ khởi động với tốc độ biến thiên
của biến.
Hình 1.4 cho thấy xu hƣớng của đặc điểm đáp ứng bộ điều khiển theo tỷ lệ với
biến thiên của biến trong trƣờng hợp lý tƣởng của bộ điều khiển hoạt động theo
phƣơng trình (1.6) không trễ.


15

Hình 1.4 Đáp ứng của bộ điều khiển theo tỷ lệ

Nếu tín hiệu đầu vào là sóng hình sin thì tín hiệu đầu ra của dụng cụ tỷ lệ thuận và
trong pha có sai số.
1.1.1.2.

Đáp ứng của hệ thống theo điều khiển tỷ lệ

Xem xét hệ thống trong hình 1.5. Trong một bộ trao đổi nhiệt, chất lỏng A đƣợc
làm nóng thông qua một chất lỏng B nóng hơn. Biến số đƣợc điều khiển là nhiệt độ
ống xả của chất lỏng A.

Hình 1.5 Điều khiển tự động nhiệt độ đầu ra chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt[10,
pp.28]
Bộ điều khiển theo tỷ lệ C phải giữ cho vận tốc dòng chảy của chất lỏng gia
nhiệt B không thay đổi, bằng cách điều khiển phù hợp thông qua van điều khiển của
nó. Nếu vận tốc dòng chảy chất lỏng B không thay đổi, nhiệt độ đầu ra của nó tăng
theo tỷ lệ khi lƣu lƣợng chất lỏng B tăng, tức là, khi van điều khiển mở rộng. Trong
trƣờng hợp này, đƣờng tải của quá trình là đƣờng thẳng nhƣ hình 1.6.


16

Hình 1.6 Đường tải quá trình
Hai giá trị tối thiểu và tối đa của phạm vi biến đổi của nhiệt độ đƣợc điều khiển
tƣơng ứng với hai vị trí cực đại đóng và mở của van, trong khi đó nhiệt độ
=
( + )/2 tƣơng ứng vị trí mở trung gian 0.5. Trong giai đoạn thiết kế, thực hiện cố
định vị trí trung gian của van điều khiển tƣơng ứng với điểm đặt của biến đƣợc điều
khiển. Theo cách này, nó có khả năng tác động nhƣ nhau theo cả hai hƣớng, mở rộng
hoặc giảm theo hƣớng lệch của biến. Do đó, bộ điều khiển đƣợc giả sử hoạt động với
dải tỷ lệ 100% và điểm đặt biến . Hình 1.7 thể hiện hoạt động của hệ thống; lƣu ý

đƣờng tải quá trình và đƣờng hoạt động của dụng cụ đƣợc xếp chồng lên nhau. Giao
điểm H của hai đƣờng biểu diễn điểm hoạt động của hệ thống.

Hình 1.7 Các điều kiện hoạt động hệ thống theo số liệu thiết kế
Trên thực tế, nhiệt độ đầu ra chất lỏng A phụ thuộc vào mức độ mở van theo
đƣờng tải biểu diễn kết quả sự cân bằng năng lƣợng; nhờ vào hoạt động của dụng cụ
điều khiển mà nhiệt này cũng đƣợc liên kết với mức độ mở van theo sự tƣơng ứng
đƣợc cố định bởi đƣờng hoạt động. Do đó, điểm cân bằng của hệ thống chỉ tƣơng ứng


17

với giao điểm của hai đƣờng này. Nếu nhiệt độ đƣợc điều khiển giảm xuống dƣới điểm
đặt, van mở nhiều hơn cho phép vận tốc dòng chảy của chất lỏng gia nhiệt lớn hơn.
Điều này gây ra sự tăng nhiệt độ đƣợc điều khiển. Ngƣợc lại, nếu nhiệt độ này vƣợt
quá điểm đặt, dụng cụ sẽ làm giảm sự mở van dẫn đến việc giảm nhiệt đƣợc cung cấp.

Hình 1.8 Hệ thống điều khiển theo tỷ lệ
Vận tốc dòng chảy U của chất lỏng chảy ra khỏi bể đƣợc điều khiển sao cho
mức độ không thay đổi trong bể dù đầu vào I của chất lỏng khác. Thiết bị gồm phao A,
điểm đặt lực B và đòn bẩy kép có liên quan thực hiện mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa
mức chất lỏng trong bể chứa và cổng van C.
Giả sử vận tốc dòng chảy đầu vào I là 50 l/s và công suất chảy ra của tuyến xả
50 l/s khi van mở một nửa. Hệ thống đƣợc điều khiển để van mở một nửa khi mức bể
chứa trùng với điểm đặt, vận tốc dòng chảy ra U cân bằng chính xác vận tốc dòng chảy
vào I và mức không thay đổi. Nếu lƣợng chất lỏng nhất định đột nhiên đƣợc đổ vào bể
chứa, vận tốc dòng chảy vào tạm thời vƣợt quá vận tốc dòng chảy ra và mức tăng lên.
Điều này gây ra sự mở van lớn hơn cùng với việc tăng lƣợng xả sau đó. Tuy nhiên
thông số cuối cùng này cao hơn giá trị thông thƣờng của 50 l/s tới khi lƣợng chất lỏng
đƣợc đổ vào đó đƣợc xả. Sau đó mức sẽ lại trùng với điểm đặt và các điều kiện ban

đầu sẽ đƣợc thiết lập lại. Vì vậy, hệ thống điều khiển theo tỷ lệ có thể sinh ra đáp ứng
hiệu quả với sự thay đổi đột ngột và ngắn gọn trong điều kiện thông thƣờng.
Giả sử vận tốc dòng chảy I đột nhiên tăng từ 50 l/s đến 75 l/s không thay đổi tại
giá trị mới này. Trong lần đầu tiên, vận tốc dòng chảy vào vƣợt quá vận tốc dòng chảy
của chất lỏng đƣợc xả. Sau đó mức bắt đầu tăng và giá trị mở nhiều hơn. Khi mức đã
đạt đến giá trị mà sự mở van cho phép chảy ra 75 l/s thì chất lỏng vào và chất lỏng
đƣợc xả lại nhƣ nhau. Khi đó mức ngừng tăng và duy trì giá trị không đổi khác với giá
trị ban đầu. Sau đó hệ thống sẽ khởi động lại điều khiển quá trình để biến đƣợc điều
khiển không đổi. Sự chênh lệch giữa hai giá trị này gây ra sự mở van rộng hơn để
lƣợng chất lỏng đƣợc xả có thể bằng với giá trị vận tốc dòng chảy vào. Trong trƣờng


18

hợp này, sự điều khiển theo tỷ lệ không đủ để đảm bảo sự trùng khớp không đổi của
biến với điểm đặt có nó.
Bắt đầu từ các điều kiện hoạt động đƣợc thể hiện trong hình 1.7. Giả sử rằng tại
một thời điểm nhất định, nhiệt độ đầu và chất lỏng gia nhiệt B đột giảm. Trong trƣờng
hợp này, vận tốc dòng chảy lớn hơn của chất lỏng B là cần thiết để đạt đƣợc nhiệt độ
đầu ra nhất định của chất lỏng A. Hình 1.9 thể hiện sự hoạt động của hệ thống trong
các điều kiện mới này.

Hình 1.9 Sự biến thiên tải trong quá trình
Khi tải thay đổi, sự mở van 50% là không đủ để giữ đƣợc biến điều khiển tại
điểm đặt. Do đó, nhiệt độ đầu ra của biến A giảm xuống giá trị , ứng điểm cân bằng
mới . Kim chỉ của dụng cụ lệch khỏi mốc trên thang chia độ của đại lƣợng
không đổi tới khi sự biến thiên tải của quá trình không thay đổi. Tức là, có khoảng
cách giữa giá trị thực tế của biến đƣợc điều khiển và điểm đặt mà nó phụ thuộc vào giá
trị sự biến thiên tải và biên độ dải tỷ lệ của dụng cụ.

Hình 1.10 Điều chỉnh thủ công đối với biến thiên tải


19

Hình 1.10 thể hiện đặc điểm đáp ứng của quá trình biến lấy giá trị ban đầu sau
biến thiên tải, thông qua dịch chuyển đúng mốc trên thang đo. Sự điều chỉnh thủ công
có thể xảy ra khi các biến thiên tải không thƣờng xuyên, nếu không ngƣời vận hành
phải liên tục thao tác với dụng cụ làm mất khả năng tự vận hành. Hình 1.10, từ thời
điểm t1 khi tải thay đổi, biến đƣợc giữ không đổi tại giá trị khác với điểm đặt của đại
lƣợng m biểu diễn độ lệch. Nếu tại thời điểm t2, điểm đặt đƣợc thay đổi thông qua sự
dịch chuyển mốc thủ công trên thang chia độ của đại lƣợng thích hợp m’, biến trùng
với giá trị ban đầu của nó dù khác với điểm đặt mới.
1.1.1.3.

Các ứng dụng của điều khiển theo tỷ lệ

Đối với điều khiển đóng – mở, điều khiển theo tỷ lệ thuận lợi trong việc kiểm
soát biến thông qua hoạt động liên tục giữ nó tại vị trí không đổi mà không có dao
động. Điều này quan trọng bởi đôi khi trong các quá trình, biến có thể không trải qua
xu hƣớng dao động. Tuy nhiên, điều khiển theo tỷ lệ không đáp ứng đủ cho những
biến thiên tải của quá trình gây ra độ lệch của biến từ điểm đặt đối với đại lƣợng tỷ lệ
với sự biến thiên tải và dải tỷ lệ của dụng cụ. Mặt khác, việc loại bỏ độ lệch thông qua
dịch chuyển mốc chỉ có đƣợc cho các mục đích chịu những biến thiên tải hiếm.
Trong điều khiển theo tỷ lệ, dải tỷ lệ càng hẹp càng tốt. Bên cạnh việc giảm độ
lệch ngẫu nhiên, dải tỷ lệ hẹp gia tăng tỷ lệ can thiệp của hệ thống do độ nhạy cao hơn.
Khi dải tỷ lệ giảm, xu hƣớng đáp ứng của quá trình đối với nhiễu dao động đến khi
những dao động này trở nên vĩnh viễn tại một điểm nhất định. Điều khiển theo tỷ lệ có
thể áp dụng cho các quá trình cho thấy khả năng tiếp nhận cao hơn, tốc độ đáp ứng
chậm và sự chậm trễ ngắn, bên cạnh việc chịu các dao động tải nhẹ và hiếm. Sự chậm

trễ kéo dài giới hạn đáng kể khả năng sử dụng dải tỷ lệ hẹp. Trên thực tế, chúng chịu
trách nhiệm về sự dịch chuyển pha giữa giá trị sai số tức thời và hoạt động hiệu chỉnh.
Sự dịch chuyển pha góc không chỉ phụ thuộc vào sự chậm trễ đáp ứng mà còn phụ
thuộc vào tần suất dao động của hệ thống tăng khi dải tỷ lệ dụng cụ giảm. Do đó, khi
dải tỷ lệ giảm, dịch chuyển pha có thể đạt
. Trong trƣờng hợp này, sai số và hoạt
động hiệu chỉnh là đối lập để hệ thống bắt đầu dao động.


20

Hình 1.11 Chuyển dịch pha giữa biến và hoạt động hiệu chỉnh
Hình 1.11 cho thấy sự tăng tần suất dao động của hệ thống (do giảm dải tỷ lệ)
có thể đem đến hoạt động hiệu chỉnh đối lập với xu hƣớng của biến. Xem xét hệ thống
đƣợc thể hiện tại hình 1.12.

Hình 1.12 Hệ thống được điều khiển với độ trễ động học đáng kể
Trong hệ thống này, nhiệt độ của nƣớc chảy trong ống đƣợc kiểm soát thông
qua việc cho thêm nƣớc nóng. Hoạt động hiệu chỉnh kéo dài trong thời gian nƣớc lạnh
hơn chảy qua bình chứa, dẫn đến sự hình thành khu vực nƣớc nóng bất thƣờng của
cùng lƣợng nƣớc nhƣ nƣớc lạnh hơn. Sau khoảng thời gian đi hết đƣờng từ chỗ kết
hợp của hai đƣờng ống tới bình chứa nhiệt kế, nƣớc ấm hơn tới bình chứa và thời gian
này dụng cụ điều khiển phát hiện sự chênh lệch nhiệt độ của tín hiệu đối lập với nhiệt
độ ban đầu. Sau đó, hoạt động hiệu chỉnh điều khiển giảm nƣớc nóng dẫn đến sự hình


21

thành của khu vực nƣớc lạnh hơn mới. Do đó, hiện tƣợng có xu hƣớng định kỳ và
nhiệt độ đƣợc đo bởi bình chứa bắt đầu dao động với tần suất tỷ lệ nghịch với độ trễ

tổng thể của hệ thống. Biên độ dao động có thể tăng lên, không đổi hoặc có xu hƣớng
bằng không tùy hệ số khuyếch đại của hệ thống cao hơn hoặc thấp hơn 1.
Độ khuyếch đại của hệ thống là tỷ lệ giữa việc sửa đổi đƣợc thực hiện trong quá
trình bằng hoạt động hiệu chỉnh và sự biến thiên đƣợc phát hiện bởi dụng cụ đo dẫn
đến hoạt động hiệu chỉnh nhƣ nhau. Vẫn đề cập đến hệ thống của hình 1.12, độ
khuyếch đại vƣợt quá 1 khi sự biến thiên của quá trình do sự biến thiên mở van (tức là,
khu vực kết quả nƣớc ấm hơn) vƣợt quá sự biến thiên đƣợc đo bằng bình chứa do khu
vực nƣớc lạnh hơn. Trong trƣờng hợp này bình chứa phát hiện có độ lệch và dẫn đến
độ lệch lớn hơn khi hoạt động hiệu chỉnh. Sau đó đo độ lệch thứ hai này và dẫn dến
một độ lệch khác thậm chí lớn hơn. Trong trƣờng hợp này biến có xu hƣớng dao động
với biên độ tăng. Hình 1.13 cho thấy xu hƣớng của biến trong ba trƣờng hợp dao động
tăng, tĩnh và giảm.

Hình 1.13 Đồ thị dao động của biến điều khiển
Biên độ của dao động không vƣợt giới hạn nhất định mà các yếu tố giảm xóc
làm cho độ khuyếch đại thấp hơn 1. Độ khuyếch đại của hệ thống điều khiển là tỷ lệ
giữa hiệu ứng và nguyên nhân, phụ thuộc vào dải tần số của dụng cụ. Nó tăng khi dải
tỷ lệ giảm. Tóm lại, điều khiển tỷ lệ chỉ có thể đƣợc áp dụng đối với các hệ thống tại
các điều kiện nhƣ sau: độ trễ càng lâu, dải tỷ lệ càng rộng để tránh dao động; dải tỷ lệ
càng rộng, độ lệch càng lớn do biến thiên tải.


22

1.1.2. Điều khiển tích phân
Điều khiển thả nổi

1.1.2.1.

Trong điều khiển đóng – mở, van điều khiển đạt đến vị trí đóng hoặc mở hoàn

toàn theo biến cao hơn hoặc thấp hơn điểm đặt và ngƣợc lại. Trong điều khiển thả nổi
nhƣ vậy, việc mở van thay đổi liên tục theo hƣớng tại tỷ lệ không đổi, mỗi lần biến
khác với điểm đặt.
Trong điều khiển đóng – mở, giá trị có tốc độ dịch chuyển rất nhanh bởi vì
điểm cuối phải đạt sớm nhất có thể. Ngƣợc lại, điều khiển thả nổi mở hoặc đóng dần
và tốc độ dịch chuyển của nó không để van đạt đến điểm cuối trƣớc khi khoảng chạy
của nó dừng lại do biến quay lại điểm đặt. Lợi thế của điều khiển thả nổi là sự phản
ứng với sự biến thiên tải dần dần có thể xảy ra thông qua sự biến thiên của việc mở
van, để không cho biến lệch khỏi điểm đặt (độ lệch).
Hoạt động tích phân

1.1.2.2.

Dụng cụ tiến hành điều khiển tích phân khi sự mở van và giá trị sai số tức thời
đƣợc liên kết thông qua quan hệ đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình (1.8)
p=

+ f∫

(1.8)

trong đó p và e tƣơng ứng phần trăm mở van và phần trăm độ lệch của biến đƣợc điều
khiển, f là thông số phụ thuộc vào các đặc điểm hoạt động của dụng cụ. Phƣơng trình
(1.8) cho thấy sự biến thiên mở của van điều khiển do sai số là tỷ lệ với phạm vi đƣợc
phân định bởi trục thời gian và đƣờng cong xác định xu hƣớng của sai số này với thời
gian. Do đó, giá trị có thể đƣợc giữ tại vị trí khác vị trí ban đầu, biến lại ở trên điểm
đặt và sau đó e = 0.
Điều này có thể xảy ra nếu:
∫

0

(1.9)

Phƣơng trình (1.8) biến đổi thành:
fe =

(1.10)

Phƣơng trình (1.10) cho thấy trong điều khiển tích phân, van điều khiển tại tốc
độ tỷ lệ với giá trị tức thời của sai số. Do đó, điều khiển tích phân trùng với điều khiển
theo tỷ lệ - tốc độ (thả nổi) đƣợc mô tả phần trƣớc.Tốc độ dịch chuyển của van điều
khiển tƣơng ứng với giá trị sai số nhất định phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ f.


23

Hình 1.14 Đáp ứng của bộ điều khiển tích phân
Xu hƣớng thời gian của tín hiệu đầu ra của dụng cụ đƣợc xác định bằng phƣơng
trình (1.8).Tại cùng một thời điểm khi sự biến thiên này có hiệu quả, van điều khiển
bắt đầu mở với tốc độ mà giá trị của nó có thể đƣợc tính thông qua phƣơng trình
(1.10). Tốc độ này đƣợc giữ không đổi trong toàn bộ thời gian khi sai số không đổi.
Sau đó, việc mở van tiếp tục tăng đều với xu hƣớng thẳng. Van điều khiển về vị trí ban
đầu sau khi có một sai số khác có tín hiệu đối lập và giá trị nhƣ vậy mà phạm vi đƣợc
phân định bằng trục thời gian và đƣờng cong sai số - thời gian tƣơng ứng với độ lệch
đầu tiên của biến.
Tuy nhiên tham khảo hình 1.14: tỷ lệ P/(TA) tƣơng ứng tỷ lệ thả nối của điều
khiển tích phân. Nó đƣợc biểu diễn chung bằng phần trăm toàn bộ khoảng chạy của
van mỗi phút (P/T) tại sự biến thiên phần trăm của biến (A), đối với toàn bộ khoảng
hoạt động cuả dụng cụ. Có thể dễ dàng nhận thấy rằng tỷ lệ thả nổi của điều khiển tích

phân trùng với hệ số f của phƣơng trình (1.8).Ngoài ra, hình 1.14 cho thấy sai số có xu
hƣớng hình sin, tốc độ biến thiên của tín hiệu đầu ra tỷ lệ với sai số và thích ứng pha
với nó, trong khi đó biên độ của tín hiệu đầu ra có độ trễ pha
.
1.1.2.3.

Đáp ứng của hệ thống điều khiển tích phân

Trong quá trình điều khiển tỷ lệ, hệ thống có thể đạt điều kiện cân bằng mà biến
đƣợc điều khiển khác với điểm đặt phụ thuộc vào giá trị biến thiên tải và biên độ dải tỷ
lệ của dụng cụ. Hoạt động hiệu chỉnh của bộ điều khiển theo tỷ lệ có tác dụng khi độ
mở van đáp ứng yêu cầu phƣơng trình (1.6) tƣơng ứng đƣờng tải. Khi điều kiện này
đạt, hoạt động hiệu chỉnh sẽ dừng.
Ngƣợc lại, trong điều khiển tích phân, độ mở van tiếp tục thay đổi theo phƣơng
trình (1.10) tới khi sai số đƣợc triệt tiêu. Do đó, điều kiện cân bằng có thể xảy ra trong
hệ thống tƣơng ứng với sai số không. Hoạt động hiệu chỉnh có tác dụng cho tới khi