Đồ án môn học Thiết kế hệ thống điều khiển Tự động

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
MỤC LỤC
ĐỒ ÁN MÔN HỌC....................................................................................................1
MỤC LỤC..................................................................................................................2
Số đề: 04.....................................................................................................................3
Cho đối tượng điều khiển là quạt gió cánh phẳng. Đầu vào hệ thống là điện
áp U(t) đặt lên động cơ, đầu ra của hệ thống là góc tạo thành giữa cánh nhôm và
trục thẳng đứng . ........................................................................................................3
Số liệu như sau:..........................................................................................................3
Yêu cầu thiết kế điều khiển:.......................................................................................4
Trình bày phương pháp nhận dạng lý thuyết và thực nghiệm. So sánh ưu nhược
điểm của hai phương pháp trên..................................................................................4
A. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM .ƯU
NHƯỢC ĐIỂM CỦA HAI PHƯƠNG PHÁP............................................................5
I. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LÝ THUYẾT...................................................5
1.1 Các bước nhận dạng lý thuyết......................................................................5
1.2 Nhận biết các biến quá trình................................................................................6
1.3. Xây dựng các phương trình mô hình...................................................................6
1.4. Phân tích bậc tự do của mô hình.........................................................................6
1.5 Tuyến tính hóa tại điểm làm việc .......................................................................7
2. Sử dụng biến chênh lệch và phép khai triển chuỗi Taylor: Đa năng, thông
dụng ,giả thiết cố định................................................................................................7
II .NHẬN DẠNG THỰC NGHIỆM..........................................................................7
2.1. Các yếu tố cơ bản của nhận dạng........................................................................8
2.2. Các bước tiến hành.............................................................................................8
2.3. Phân loại các phương pháp nhận dạng...............................................................9
2.4. Đánh giá và kiểm chứng mô hình....................................................................10
2.5. Lựa chọn phương pháp nhận dạng...................................................................10

III. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HAI PHƯƠNG PHÁP.............................................11
1. Phương pháp lý thuyết:........................................................................................11
Ưu điểm: ..................................................................................................................11
Nhược điểm:.............................................................................................................11
2. Phương pháp thực nghiệm...................................................................................12
B. XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH TOÁN HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG
THAM SỐ ARX VÀ MÔ PHỎNG..........................................................................12
C. LỰA CHỌN THAM SỐ CHO BỘ PID..............................................................21
I. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID LÝ TƯỞNG....................................................................21
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
2
PID Object
u
u
e

ψ
ψ
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
Số đề: 04
Cho đối tượng điều khiển là quạt gió cánh phẳng. Đầu vào hệ thống là điện áp U(t)
đặt lên động cơ, đầu ra của hệ thống là góc tạo thành giữa cánh nhôm và trục thẳng
đứng
)t(
ψ
.
Số liệu như sau:
TT U(t)
)t(
ψ

TT U(t)
)t(
ψ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
1
1
1
1
-1
-1
1
1
0.02
0.02
1.66
3.643
3.609
3.463
3.535
3.095
3.333

21
22
23
24
25
26
27
28
29
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
1
1
4.085
3.453
2.830
2.441
2.409
2.376
1.875
1.707
1.991
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
3
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động

10
11
12
13
14
15
16
17
18
18
20
1
1
1
1
1
1
-1
1
-1
1
-1
4.014
4.553
4.946
4.916
4.884
5.114
5.078
4.599

4.279
4.123
4.443
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
1
1
1
1
1
1
1
1
1
-1
-1
2.973
3.669
3.484
3.761
4.151

4.558
4.846
5.088
5.254
5.198
4.881
Giả thiết quan hệ giữa góc quay và điện áp là
1U2
+=ψ
Yêu cầu thiết kế điều khiển:
- Trình bày phương pháp nhận dạng lý thuyết và thực nghiệm. So sánh ưu nhược
điểm của hai phương pháp trên.
- Xác định mô hình toán học của quạt gió cánh phẳng với các số liệu đã cho bằng
phương pháp ước lượng tham số ARX.
- Lựa chọn tham số cho bộ PID.
- Mô phỏng, Giải thích các kết quả thu được.
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
4
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
A. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM .ƯU
NHƯỢC ĐIỂM CỦA HAI PHƯƠNG PHÁP
I. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG LÝ THUYẾT
1.1 Các bước nhận dạng lý thuyết
Phương pháp này còn gọi là mô hình hóa vật lý đi từ các định luật cơ bản của vật lý
và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là
các phương trình vi phân (thường hoặc đạo hàm riêng) và phương trình đại số.
1. Phân tích bài toán mô hình hóa
Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình, từ đó xác định
mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng.
Phân chia thành các quá trình con,

Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa mô hình.
Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình.
2. Xây dựng các phương trình mô hình
Nhận biết các phần tử cơ bản của hệ thống, viết các phương trình cân bằng và
phương trình đại số khác dựa trên cơ sở các định luật bảo toàn, định luật nhiệt động học,
vận chuyển, cân bằng pha,…
Đơn giản hóa mô hình bằng cách thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương trình vi
phân chuẩn tắc.
Tính toán các tham số mô hình dựa trên các tham số công nghệ đã được đặc tả.
3. Kiểm chứng mô hình:
Phân tích bậc tự do của quá trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng
các quan hệphụ thuộc.
Phân tích khả năng giải được của mô hình, khả năng điều khiển được
Đánh giá mô hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất
của mô hình kết hợp mô phỏng máy tính.
4. Phát triển mô hình:
Phân tích các đặc tính của mô hình
Chuyển đổi mô hình về các dạng thích hợp
 Tuyến tính hóa mô hình tại điểm làm việc nếu cần thiết.
Mô phỏng, so sánh mô hình tuyến tính hóa với mô hình phi tuyến ban ₫ầu
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
5
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
Thực hiện chuẩn hóa mô hình theo yêu cầu của phương pháp phân tích và thiết kế
điều khiển.
5. Lặp lại một trong các bước trên nếu cần thiết
1.2 Nhận biết các biến quá trình
Tìm hiểu lưu đồ công nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mô hình, từ đó xác định
mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình cần xây dựng.
Phân chia thành các quá trình con, nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các

tham số quá trình. Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mô hình nhằm đơn giản hóa
mô hình.
Phân biệt giữa tham số công nghệ và biến quá trình
Nhận biết các biến ra cần điều khiển theo mục đích điều khiển thường là áp suất,
nồng độ, mức.
Nhận biêt các biến điều khiển tiềm năng: thường là lưu lượng, công suất nhiệt (can
thiệp được qua van điều khiển, qua thay đổi điện áp, v.v…)
Các biến nhiễu quá trình.
1.3. Xây dựng các phương trình mô hình
Viết các phương trình cân bằng và các phương trình cấu thành
Các phương trình cân bằng có tính chất nền tảng, viết dưới dạng dạng phương trình
vi phân hoặc phương trình đại số, được xây dựng trên cơ sở các định luật bảo toàn vật chất,
bảo toàn năng lượng và các định luật khác.
Các phương trình cấu thành liên quan nhiều tới quá trình cụ thể, thường được đưa ra
dưới dạng phương trình đại số.
Đơn giản hóa mô hình bằng cách thay thế, rút gọn và đưa về dạng phương trình vi
phân chuẩn tắc.
Tính toán các tham số của mô hình dựa trên các thông số công nghệ đã được đặc tả.
1.4. Phân tích bậc tự do của mô hình
Bài toán mô phỏng:
Cho mô hình + các đầu vào + các trạng thái ban đầu.
Xác định (tính toán) diễn biến đầu ra.
Đưa về bài toán giải các phương trình mô hình theo các biến đầu ra độc
lập .
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
6
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
Vấn đề: Các phương trình mô hình đã mô tả đủquan hệ giữa các biến quá trình hay
chưa?
Nếu thiếu: Số phương trình ít hơn số biến ra độc lập, hệ phương trình có vô số

nghiệm.
Nếu thừa: Số phương trình nhiều hơn số biến ra độc lập, hệ phương trình vô nghiệm.
Khả năng mô phỏng được liên quan tới khả năng điều khiển được.
 Bậc tự do của mô hình:số biến quá trình trừ đi số phương trình độc lập
Số các biến tự do có trong mô hình, hay chính là số lượng tối đa các vòng điều khiển
đơn tác động độc lập có thể sử dụng
Mô hình đảm bảo tính nhất quán: Số bậc tự do = số biến vào.
1.5 Tuyến tính hóa tại điểm làm việc
Tại sao cần tuyến tính hóa ?
Tất cảquá trình thực tế đều là phi tuyến (ít hay nhiều).
Các mô hình tuyến tính dễ sử dụng (thỏa mãn nguyên lý xếp chồng).
Phần lớn lý thuyết điều khiển tự động sửdụng mô hình tuyến tính (ví dụ hàm truyền
đạt).
Tại sao tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc.
Quá trình thường được vận hành trong một phạm vi xung quanh điểm làm việc (bài
toán điều chỉnh)
Tuyến tính hóa trong một phạm vi nhỏ giúp giảm sai lệch mô hình.
Cho phép sử dụng biến chênh lệch đảm bảo điều kiện áp dụng phép biến đổi
Laplace (sơ kiện bằng 0).
Hai phương pháp tiếp cận:
1.Tuyến tính hóa trực tiếp trên phương trình vi phân dựa theo các giả thiết về điểm
làm việc:
2. Sử dụng biến chênh lệch và phép khai triển chuỗi Taylor: Đa năng, thông dụng
,giả thiết cố định.
II .NHẬN DẠNG THỰC NGHIỆM
Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào ra thực nghiệm
được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống. Khái niệm nhận dạng hệ
thống được định nghĩa trong chuẩn IEC là những thủ tục suy luận một mô hình toán học
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
7

Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó với một tín
hiệu đầu vào xác định, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu ồn trắng...
2.1. Các yếu tố cơ bản của nhận dạng
1. Số liệu vào/ra thực nghiệm:
- Xác định như thếnào? Trong điều kiện nào?
- Dạng nhiễu (nhiễu quá trình, nhiễu đo), độ lớn của nhiễu?
2. Dạng mô hình, cấu trúc mô hình
- Mô hình phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn hàm truyền đạt/không gian trạng
thái, …
- Bậc mô hình, thời gian trễ
3. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô hình
- Mô phỏng và so sánh với sốliệu đo như thếnào?
4. Thuật toán xác định tham số
- Rất đa dạng -> thuật toán nào phù hợp với bài toán nào?
2.2. Các bước tiến hành
1.Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình ví dụ biểu diễn quá trình quan
tâm, các phương trình mô hình từ phân tích lý thuyết, các điều kiện biên và các giả thiết
liên quan.
2. Lựa chọn phương pháp nhận dạng (trực tuyến/ ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín,
chủ động/bị động, thuật toán nhận dạng, ...) thuật toán ước tham số và tiêu chuẩn đánh giá
chất lượng mô hình
3. Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xửlý thô các số liệu nhằm loại
bỏ những giá trị đo kém tin cậy.
4. Kết hợp yêu cầu về mục đích sử dụng mô hình và khả năng ứng dụng của phương
pháp nhận dạng đã chọn quyết định về dạng mô hình (phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián
đoạn) đưa ra giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình bậc tử số của hàm truyền đạt có hay
không có trễ.
5. Xác định các tham số của mô hình theo phương pháp/thuật toán đã chọn. Nếu tiến
hành theo từng mô hình con ( ví dụ từng kênh vào /ra, từng khâu trong quá trình) thì sau đó

kết hợp chúng lại thành mô hình tổng thể.
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
8
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
6. Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình nhận được theo các tiêu chuẩn đã lựa
chọn, tốt nhất là trên cơ sở nhiều tập dữ liệu khác nhau. Nếu chưa đạt yêu cầu thì quay lại
một trong các bước trên.
7. Nếu chưa đạt yêu cầu thì quay lại một trong các bước trên.
2.3. Phân loại các phương pháp nhận dạng
1. Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động:
- Nhận dạng chủ động: tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích (tín hiệu
bậc thang, dao động điều hòa, xung ngẫu nhiên).
- Nhận dạng bị động: Phương pháp chủ động có thể không khả thi đối với các hệ
thống đang vận hành ổn định không cho phép bất cứ sự can thiệp nào ảnh hưởng tới
chất lượng sản phẩm. Khi đó phải sử dụng các số liệu vào/ra vận hành thực và được
gọi là phương pháp nhận dạng bị động
2. Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín
- Nhận dạng vòng hở (open-loop identification): Mô hình của quá trình có thể được
xác định một cách trực tiếp trên cơ sở tiến hành thực nghiệm và tính toán với các tín
hiệu vào/ra của nó. Tuy nhiên, đối với các quá trình công nghiệp điều này gặp nhiều
trở ngại vì việc chủ động đưa tín hiệu trực tiếp với biên độ lớn có thể làm cho các
thông số của quá trình vượt quá giới hạn cho phép và ảnh hưởng đến chất lượng sản
phẩm.
- Nhận dạng vòng kín: Sử dụng bộ phản hồi đơn giản nhằm duy trì hệ thống trong
một giới hạn cho phép.
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
9
Thiết kế hệ thống điều khiển tự động
3. Nhận dạng trực tuyến và nhận dạng ngoại tuyến:
- Nhận dạng trực tuyến (online): Nếu mô hình cần xây dựng phục vụ chỉnh định trực

tuyến và liên tục hoặc phục vụ tối ưu hóa thời gian thực hệ thống điều khiển, các
tham số cần cập nhật liên tục.
- Nhận dạng ngoại tuyến (off-line): Mô hình được tính toán tách biệt với quá trình thu
thập dữ liệu .
2.4. Đánh giá và kiểm chứng mô hình
1.Tốt nhất:Bộ số liệu phục vụ kiểm chứng khác bộ số liệu phục vụ ước lượng mô
hình.
2. Đánh giá trên miền thời gian.
3. Đánh giá trên miền tần số .
2.5. Lựa chọn phương pháp nhận dạng
1.Quá trình cho phép nhận dạng chủ động và đối tượng có thể xấp xỉ mô hình
FOPDT (hoặc có thể có thêm thành phần tích phân):
- Phương pháp hai điểm qui chiếu theo đơn giản và dễ áp dụng trực quan nhất,
- Nếu có nhiễu đo và thuật toán được thực hiện trên máy tính thì phương pháp diện
tích cho kết quả chính xác hơn.
2. Quá trình cho phép nhận dạng chủ động và phương pháp thiết kế điều khiển
sửdụng trực tiếp mô hình gián đoạn:
- Nên chọn các phương pháp ước lượng dựa trên nguyên lý bình phương tối thiểu áp
dụng cho mô hình phù hợp với bài toán điều khiển (FIR, ARX, ARMAX,…).
3. Quá trình không cho phép nhận dạng chủ động vòng hở:
- Phương pháp nhận dạng dựa trên phản hồi rơ-le và các phiên bản cải tiến tỏ ra
tương đối đa năng và đặc biệt phù hợp cho thiết kế điều khiển trên miền tần số.
- Nếu chất lượng mô hình cần cao hơn thì nên áp dụng các phương pháp bình
phương tối thiểu.
4. Quá trình hoàn toàn không cho phép nhận dạng chủ động:
GVHD: Phạm Thị Thanh Loan Sinh viên: Bùi Thanh Liêm
10