Nghiên cứu các phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển công nghiệp

Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut .................
- 1 -


Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học nông nghiệp hà nội
-------------***-------------



Nguyễn thị phơng thuý




Nghiên cứu các phơng pháp hiệu chỉnh
Thông số bộ điều khiển công nghiệp





Luận văn thạc sĩ kỹ thuật



Chuyên ngành: Điện khí hoá sản xuất Nông nghiệp và Nông thôn
Mã số : 60.52.54
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn văn hoà

hà nội - 2010
Lê xuân h ải
*

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

*

Hà Nội
-
2010


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
i


LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và
chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam ñoan rằng: mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn ñã
ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn
gốc.

Tác giả luận văn.

Nguyễn Thị Phương Thuý












Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
ii


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, tôi ñã nhận ñược
sự giúp ñỡ nhiệt tình của các tập thể và cá nhân các Thầy Cô giáo: Trường
ðHNN Hà Nội, Trường ðHBK Hà Nội và của các bạn bè, ñồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Hoà - ðHBK Hà Nội. Cảm
ơn các Thầy Cô giáo trong bộ môn ðiện, Khoa cơ ñiện, Viện sau ðại học
Trường ðHNN Hà Nội. Cảm ơn Bộ môn ðiều khiển tự ñộng - Trường ðHBK
Hà Nội và Khoa ðiện – Trường Cao ñẳng nghề Kinh tế - Kỹ Thuật Bắc Ninh.
Cảm ơn các bạn bè và ñồng nghiệp ñã tận tình giúp ñỡ tôi nghiên cứu hoàn thành
luận văn này.
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, vì thời gian và trình
ñộ có hạn, nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận ñược ý kiến
ñóng góp chân thành của các Thầy Cô và bạn bè ñồng nghiệp.

Tác giả luận văn


Nguyễn Thị Phương Thuý

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
iii


MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i
LỜI CAM ðOAN ii
DANH MỤC CÁC BẢNG iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi
MỞ ðẦU 1
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ
ðỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP

3
1. ðối tượng ñiều chỉnh công nghiệp.
4
1.1. Các ñặc tính của ñối tượng ñiều chỉnh. 4
1.1.1.Tính dung lượng. 5
1.1.2.Tính tự cân bằng. 5
1.1.3. Hàm quá ñộ. 6
1.1.4. Xác ñịnh hàm truyền ñạt của ñối tượng từ hàm quá ñộ h(t). 8
1.1.4.1. ðối tượng tự cân bằng. 8
1.1.4.2. ðối tượng không tự cân bằng. 15

1.2. Thiết bị ñiều chỉnh. 16
1.2.1. Các quy luật ñiều chỉnh. 17
1.2.1.1. ðiều khiển vị trí. 17
1.2.1.2. Quy luật ñiều khiển liên tục. 19
1.2.1.2.1. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ (P). 19
1.2.1.2.2. Quy luật ñiều chỉnh tích phân (I) . 20
1.2.1.2.3. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD). 20
1.2.1.2.4. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI). 22
1.2.1.2.5. Quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID). 23
1.2.2. Thiết bị ñiều khiển công nghiệp. 25
1.2.2.1. Những vấn ñề cơ bản về PID. 25

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
iv


1.2.2.1.1. Mô hình bộ ñiều khiển. 25
1.2.2.1.2. Tác ñộng tỷ lệ. 26
1.2.2.1.3. Tác ñộng tích phân. 27
1.2.2.1.4. Tác ñộng vi phân. 27
1.2.2.2. Bộ ñiều khiển PID thực. 28
1.2.2.2.1. Hiện tượng Windup và các biện pháp khắc phục. 28
1.2.2.2.2. Khâu vi phân thực. 29
1.2.2.2.3. Trọng số cho giá trị ñặt. 29
1.2.2.3. Bộ ñiều khiển PID theo chuẩn ISA. 30
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU CHỈNH THAM SỐ
BỘ ðIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP.
32
2.1. Các phương pháp chỉnh ñịnh dựa theo mô hình ñối tượng. 33
2.1.1. Phương pháp Haalman. 33

2.1.2. Phương pháp tối ưu ñộ lớn. 34
2.1.2.1. ðiều khiển ñối tượng quán tính bậc nhất. 36
2.1.2.3. ðiều khiển ñối tượng quán tính bậc hai. 37
2.1.2.4. ðiều khiển ñối tượng quán tính bậc ba. 37
2.1.3. Phương pháp tối ưu ñối xứng. 39
2.1.4. Phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm 0. 41
2.1.5. Phương pháp mô hình IMC (Internal model Control). 43
2.2. Các phương pháp chỉnh ñịnh dựa theo ñường ñặc tính. 48
2.2.1. Phương pháp Ziegler- Nichols. 48
2.2.1.1. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất. 48
2.2.1.2. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai. 50
2.2.1.3. Phương pháp Chien-Hrones-Resweick. 52
2.2.1.4. Phương pháp tổng T của Kuhn. 55
2.3. Phương pháp thực nghiệm xác ñịnh thông số bộ ñiều khiển PI. 57
2.4. Những kết luận chung về việc lựa chọn luật ñiều chỉnh PID. 63

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
v


CHƯƠNG 3. ðỐI TƯỢNG LÒ GIÓ NÓNG.
65
3.1. Giới thiệu hệ thống thí nghiệm( lò gió nóng). 65
3.1.1. Buồng ñốt. 67
3.1.2. Quạt gió. 67
3.1.3. Sợi ñốt. 67
3.1.4. Nhiệt kế ñiện trở. 68
3.1.5. Bộ chuyển ñổi R/U. 69
3.1.6. Máy tính. 69
3.1.7. Card ghép nối DAS 1601. 70

3.1.8. Bộ ñiều khiển công suất. 70
3.2. Khảo sát ñặc tính của ñối tượng. 71
3.2.1. Xác ñịnh ñặc tính tĩnh. 71
3.2.2. Xác ñịnh ñặc tính ñộng. 72
3.2.2.1. ðặt nhiễu bậc thang 1(t) hoặc dạng xung. 72
3.2.2.1.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm. 72
3.2.2.1.2. Xác ñịnh tham số mô hình quán tính bậc nhất không có trễ. 73
3.2.2.1.3. Xác ñịnh tham số cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. 74
3.2.2.1.4. Xác ñịnh tham số mô hình PT
2
74
3.2.2.2. Xác ñịnh ñặc tính ñộng của ñối tượng khi có s
ự tham gia của
bộ ñiều khiển.
75
3.2.3. Nhận dạng lò gió nóng. 76
3.3. Khảo sát mô phỏng hệ thống ñiều khiển. 78
3.3. Khảo sát mô phỏng hệ thống ñiều khiển. 79
3.3.1. Phương pháp Haalman. 79
3.3.2. Phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm không. 80
3.3.3. Phương pháp mô hình nội IMC. 81
3.3.4. Phương pháp Ziegler-Nichols. 83
3.3.4.1. Phương pháp Ziegler-Nichols I. 83

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
vi


3.3.4.2. Phương pháp Ziegler-Nichols II. 84
3.4. Khảo sát hệ thống ñiều khiển thực. 88

3.4.1. Phương pháp Haalman. 89
3.4.2. Phương pháp khử ñiểm cực và ñiểm không. 89
3.4.3. Phương pháp mô hình nội IMC. 89
3.4.4. Phương pháp Ziegler – Nichols. 90
3.4.4.1. Phương pháp Ziegler – Nichols I. 90
3.4.4.2. Phương pháp Ziegler – Nichols II. 91
3.4.5. Phương pháp thực nghiệm xác ñịnh thông số bộ ñiều khiển PI. 93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO 97









Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
vii


DANH MỤC CÁC BẢNG.
Số bảng Tên bảng Trang
Bảng 2.1 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp
Haalman cho các ñối tượng giả ñịnh.
34
Bảng 2.2 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp khử
ñiểm cực và ñiểm 0.
42

Bảng 2.3 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp khử
ñiểm cực và ñiểm 0 áp dụng cho các ñối tượng giả
ñịnh.
43
Bảng 2.4 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp mô hình
IMC cho các ñối tượng thường gặp.
45
Bảng 2.5 Tính toán tương ñương thông số bộ ñiều khiển nối tiếp
và song song theo phương pháp mô hình IMC.
46
Bảng 2.6 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols I.
49
Bảng 2.7 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols II.
50
Bảng 2.8 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols II cho ñối tượng giả ñịnh.
51
Bảng 2.9 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-
Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ
kín không có ñộ quá ñiều chỉnh
0% =
σ

53
Bảng 2.10 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-
Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ
kín có ñộ quá ñiều chỉnh không quá 20%
53

Bảng 2.11

Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-
Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo tín hiệu ñặt
54

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
viii


trước và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh
max
h∆

Bảng 2.12 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp Chien-
Hrones-Resweick với yêu cầu tối ưu theo tín hiệu ñặt
trước và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh
max
h∆
không vượt
quá 20% so với
)(lim thK
t ∞→
=

54
Bảng 2.13 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp tổng T
của Kuhn.
56

Bảng 3.1 Tính thông số bộ ñiều khiển. 79
Bảng 3.2 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp khử
ñiểm cực và ñiểm 0.
80
Bảng 3.3 Tính thông số bộ ñiều khiển theo phương pháp mô hình
nội IMC cho ñối tượng lò gió nóng.
82
Bảng 3.4 Tính thông số của bộ ñiều khiển theo công thức
Ziegler-Nichols I.
83
Bảng 3.5 Thông số của bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols I cho ñối tượng lò gió nóng.
83
Bảng 3.6 Tính thông số của bộ ñiều khiển theo công thức
Ziegler-Nichols II.
87
Bảng 3.7 Thông số của bộ ñiều khiển theo phương pháp Ziegler-
Nichols II cho ñối tượng lò gió nóng.
87
Bảng 3.8 Tổng hợp các chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống
ñiều khiển thực theo các phương pháp kinh ñiển.
92


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
ix


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình Tên hình Trang

Hình 1.1 Sơ ñồ khối các phần tử trong hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng. 3
Hình 1.2 Sơ ñồ tổng quát của hệ ñiều chỉnh tự ñộng. 4
Hình 1.3 Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh. 5
Hình 1.4 Hàm quá ñộ của ñối tượng tự cân bằng. 6
Hình 1.5 Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng. 7
Hình 1.6 Hàm quá ñộ của ñối tượng tự cân bằng. 9
Hình 1.7 Sơ ñồ khối cấu trúc ñối tượng. 9
Hình 1.8 Trình tự cách chọn hàm W
1
(p). 9
Hình 1.9 Hình 1.9: Xác ñịnh thông số mô hình. 10
Hình 1.10 Xác ñịnh các hệ số. 11
Hình 1.11 Sơ ñồ cấu trúc của W
1
(s). 14
Hình 1.12 Xác ñịnh các thông số hàm truyền ñạt của ñối tượng
không tự cân bằng.
15
Hình 1.13 Sơ ñồ khối cấu trúc của ñối tượng. 16
Hình 1.14 Xác ñịnh thông số của ñối tượng phi tĩnh. 16
Hình 1.15 Quá trình quá ñộ ñiều khiển hai vị trí. 17
Hình 1.16 ðiều khiển ba vị trí. 18
Hình 1.17 Các ñặc tính của quy luật ñiều chỉnh tỷ lệ vi phân. 21
Hình 1.18 Các ñặc tính của quy luật PI. 23
Hình 1.19 Các ñặc tính của quy luật ñiều chỉnh PID. 24
Hình 1.20 Bộ ñiều chỉnh với trọng số cho giá trị ñặt. 30
Hình 1.21 Cấu hình PID ISA 2 bậc tự do. 31
Hình 2.1 Kết quả mô phỏng theo phương pháp Haalman cho các ñối
tượng giả ñịnh.
34

Hình 2.2 Kết quả mô phỏng theo phương pháp tối ưu ñộ lớn cho
các ñối tượng giả ñịnh.
39

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
x


Hình 2.3 Kết quả mô phỏng theo phương pháp khử ñiểm cực và
ñiểm 0 cho các ñối tượng giả ñịnh.
43
Hình 2.4 Mô hình hệ thống theo phương pháp IMC. 44
Hình 2.5 Mô hình hệ thống feedback truyền thống. 44
Hình 2.6 Sơ ñồ mô phỏng theo phương pháp mô hình IMC. 47
Hình 2.7 Kết quả mô phỏng với mô hình giả ñịnh. 48
Hình 2.8 ðáp ứng bậc thang ñơn vị theo phương pháp Ziegler-
Nichols I.
49
Hình 2.9 Kết quả mô phỏng theo phương pháp Ziegler-Nichols I
cho ñối tượng giả ñịnh.
50
Hình 2.10 ðặc tính dao ñộng tới hạn theo phương pháp Ziegler-
Nichols II của ñối tượng giả ñịnh.
51
Hình 2.11 Kết quả mô phỏng theo phương pháp Ziegler-Nichols II
cho ñối tượng giả ñịnh.
52
Hình 2.12 ðường ñặc tính quá ñộ của ñối tượng theo phương
pháp(C-H-R).
52

Hình 2.13 ðặc tính quá ñộ của ñối tượng giả ñịnh theo phương
phápChien-Hrones-Resweick.
55
Hình 2.14 Kết quả mô phỏng cho ñối tượng giả ñịnh theo phương
pháp Chien-Hrones-Resweick.
55
Hình 2.15 ðường ñặc tính quá ñộ của ñối tượng theo phương pháp
tổng T của Kuhn.
56
Hình 2.16 Sơ ñồ mô phỏng bằng Matlab. 59
Hình 2.17 Kết quả mô phỏng với quy luật ñiều chỉnh tỉ lệ. 59
Hình 2.18 Kết quả mô phỏng với máy ñiều chỉnh PI. 59
Hình 2.19 Kết quả mô phỏng với máy tỉ lệ a và tỉ lệ tích phân b. 60
Hình 2.20 Kết quả mô phỏng với máy P. 60
Hình 2.21 Kết quả mô phỏng với máy ñiều chỉnh PI. 61

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
xi


Hình 2.22 Kết quả mô phỏng với máy ñiêu chỉnh tỉ lệ a và máy ñiều
chỉnh tỉ lệ tích phân b.
61
Hình 2.23 Sơ ñồ mô phỏng hệ thống ñiều khiển ñối tượng bậc hai có
trễ.
61
Hình 2.24 Kết quả mô phỏng với qui luật tỉ lệ 61
Hình 2.25
Kết quả mô phỏng với quy luật tỉ lệ tích phân có
K

m
= 0,2 T
i
= 290.
62
Hình 2.26
Kết quả mô phỏng với quy luật tỉ lệ a và tỉ lệ tích phân b. 62
Hình 2.27
Kết quả mô phỏng với quy luật tỉ lệ. 62
Hình 2.28 Kết quả mô phỏng với quy
Luật tỉ lệ tích phân K
m
= 0,8 T
i
=520s
63
Hình 2.29 Kết quả mô phỏng sử dụng quy luật tỉ lệ a và tỉ lệ tích
phân b.
63
Hình 3.1 Sơ ñồ hệ thống lò gió nóng. 66
Hình 3.2 ðường ñặc tính ñối tượng quán tính bậc nhất không có trễ. 73
Hình 3.3 ðặc tính ñối tượng quán tính bậc nhất có trễ. 74
Hình 3.4 ðặc tính ñối tượng PT
2
74
Hình 3.5 ðường ñặc tính ñối tượng ghi trên máy Recorder. 76
Hình 3.6 Mô hình ñối tượng. 77
Hình 3.7 Sơ ñồ mô phỏng theo phương pháp Haalman cho ñối
tượng lò gió nóng.
79

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng theo phương pháp Haalman cho ñối
tượng lò gió nóng.
80
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng theo phương pháp khử ñiểm cực và
ñiểm 0 cho ñối tượng lò gió nóng.
81
Hình 3.10 Kết quả mô phỏng theo phương pháp mô hình nội IMC
cho ñối tượng lò gió nóng.
82

Hình 3.11

Kết quả mô phỏng theo phương pháp Ziegler-Nichols I
cho ñối tượng lò gió nóng.
84
Hình 3.12 Xác ñịnh K
th
85
Hình 3.13 Sơ ñồ mô phỏng khi K
th
= 11. 86
Hình 3.14 ðặc tính hằng số tới hạn. 86
Hình 3.15 Kết quả mô phỏng theo phương pháp Ziegler-Nichols II
cho ñối tượng lò gió nóng.
87

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
xii

Hình 3.16 Sơ ñồ thí nghiệm hệ thống ñiều khiển thực lò gió nóng. 88
Hình 3.17 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp Haalman cho
ñối tượng lò gió nóng.
89
Hình 3.18 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp khử ñiểm cực
và ñiểm 0 cho ñối tượng lò gió nóng.
89
Hình 3.19 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp mô hình nội
IMC cho ñối tượng lò gió nóng.
90
Hình 3.20 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp Ziegler-
Nichols I cho ñối tượng lò gió nóng.
91
Hình 3.21 Kết quả thí nghiệm thực theo phương pháp Ziegler-
Nichols II cho ñối tượng lò gió nóng.
91
Hình 3.22 Quá trình quá ñộ ñiều khiển nhiệt ñộ gió nóng sử dụng
quy luật tỉ lệ với K
m
= 4,5 nhiệt ñộ ñặt 50
0
C.
93
Hình 3.23 ðồ thị quá trình ñiều khiển khi sử dụng quy luật tỉ lệ tích
phân với K
m
= 4,5 và T
i
= 155.
94

Hình 3.24 Kết quả thí nghiệm ñược ghi trên băng giấy của máy ghi
khi sử dụng quy luật tỉ lệ và quy luật tỉ lệ tích phân.
94




Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
xiii


DANH MỤC VIẾT TẮT


CCCH : Cơ cấu chấp hành
CQðC : Cơ quan ñiều chỉnh
W(P) : Hàm truyền ñạt
ðTðC : ðối tượng ñiều chỉnh

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
1


MỞ ðẦU
1. Cơ sở lựa chọn ñề tài.
Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật ñiện tử, công nghệ thông
tin, ngành kỹ thuật ñiều khiển tự ñộng ñã và ñang ñạt ñược nhiều thành quả mới.
ðiều khiển tự ñộng ñang ñược phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp
trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Việc nâng cao chất lượng hệ
thống ñiều khiển tự ñộng luôn là chỉ tiêu ñược quan tâm ñầu tiên của các nhà

thiết kế vì nó góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao ñộng, cải tiến
chất lượng sản phẩm. Mục tiêu của ñiều khiển là ngày càng nâng cao chất lượng
các hệ thống ñiều khiển tự ñộng. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều ñối tượng
ñiều khiển khác nhau với các ñặc tính phức tạp. Do ñó cần phải tiến hành nghiên
cứu, tìm ra các phương pháp ñiều khiển khác nhau ñể ứng dụng ñiều khiển các
ñối tượng công nghiệp như vấn ñề ñiều khiển thông số nhiệt ñộ của lò ñiện trở,
lò nung, lò sấy...ðã có nhiều công trình nghiên cứu trước ñây, nhiều kết quả ứng
dụng tốt.
ðể ñiều chỉnh các ñối tượng trong công nghiệp thì bộ ñiều khiển PID
ñược ứng dụng hầu hết trong ñối tượng công nghiệp. Tuy nhiên, ñể vận hành tốt
hệ thống thì phải biết sử dụng các thuật toán PID. Do ñó cần phải nghiên cứu ñặc
tính của ñối tượng, ñặc tính của bộ ñiều khiển, trên cơ sở ñó phải xác ñịnh ñược
các thông số ñối tượng, từ ñó mới lựa chọn ñược tham số cho bộ ñiều khiển.
2. Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết ñể xây dựng thuật toán.
- Dùng mô phỏng ñể kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết.
- Dùng thực nghiệm ñể khẳng ñịnh kết quả nghiên cứu.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài.
Về khoa học: Luận văn ñã góp phần hoàn thiện và chuẩn hoá việc tổng hợp
phương pháp hiệu chỉnh các thông số của bộ ñiều khiển.
Về thực tiễn: Với kết quả thu ñược của ñề tài ñã góp phần:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
2


- Giải quyết một phần những khó khăn trong việc tổng hợp phương pháp hiệu
chỉnh các thông số của bộ ñiều khiển.
- Tổng hợp bộ ñiều khiển công nghiệp theo phương pháp kinh ñiển.
4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu .

Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến vấn ñề sau:
- Các ñặc tính của ñối tượng.
- ðặc tính của bộ ñiều khiển.
- Các phương pháp hiệu chỉnh thông số của bộ ñiều khiển.
- Tiến hành thực nghiệm các kết quả nghiên cứu.
5. Tóm tắt nội dung luận văn:
Chương 1: Nghiên cứu hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng trong công nghiệp.
Chương này trình bày một số vấn ñề cơ bản về ñối tượng ñiều chỉnh trong công
nghiệp và các vấn ñề cơ bản về bộ ñiều khiển PID.
Chương 2: Nghiên cứu các phương pháp xác ñịnh thông số bộ ñiều khiển.
Chương này giới thiệu về cách hiệu chỉnh thông số PID theo các phương pháp
kinh ñiển. Trong mỗi phương pháp ñều lấy ñối tượng giả ñịnh ñể mô phỏng.
Chương 3: Nghiên cứu khảo sát hệ thống ñiều khiển thực trong phòng thí
nghiệm.
Nội dung chương này giới thiệu về hệ thống thí nghiệm, khảo sát hệ thống
ñiều khiển thực. Vận dụng các phương pháp chỉnh ñịnh thông số PID kinh ñiển
ñể khảo sát trên ñối tượng thực (lò gió nóng) tại Phòng thí nghiệm-Bộ môn ðiều
khiển tự ñộng-Trường ðại học Bách khoa Hà nội.
6. Phần kết luận và kiến nghị:
Tóm tắt nội dung chính luận văn ñã giải quyết và ñề xuất các vấn ñề cần
nghiên cứu tiếp theo.





Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
3

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG
TRONG CÔNG NGHIỆP.
Sơ ñồ khối cấu trúc của một hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng trong công
nghiệp ñược mô tả trên hình 1.1. Trong ñó TBCN là thiết bị công nghiệp. Thiết
bị công nghiệp thực hiện những quá trình công nghệ cần thiết. Những quy trình
công nghệ ñược ñặc trưng bằng các thông số công nghệ (TSCN) nhất ñịnh. ðể
bảo ñảm cho các TSCN ñạt ñược các giá trị cần thiết phải có các tác ñộng công
nghệ (TðCN). ðây là các tác ñộng cần thiết ñể bảo ñảm cho các thông số công
nghệ ñạt ñược giá trị mong muốn (giá trị chủ ñạo x). ðể ñạt ñược mục ñích này,
trong hệ thống phải có hệ thống ño thông số công nghệ bao gồm: Cảm biến ño
(CBð) và chuyển ñổi ño (Cðð) ñể xác ñịnh giá trị ñại lượng cần ñiều chỉnh y.
Giá trị ño ñược của ñại lượng cần ñiều chỉnh y ñược so sánh với tín hiệu chủ ñạo
x ñể xác ñịnh giá trị sai lệch e (e = x-y)
Phương thức ñiều khiển trong công nghiệp thường dùng là phương thức
ñiều khiển theo sai lệch. Dựa trên giá trị sai lệch nhận ñược, khối chức năng
(KCN) sẽ tạo ra tác ñộng ñiều chỉnh u
d
. Qua hệ thống, thiết bị chấp hành bao
gồm cơ cấu chấp hành (CCCH) và cơ quan ñiều khiển (CQðK) tác ñộng ñiều
chỉnh u
d
sẽ làm thay ñổi tác ñộng công nghệ u bảo ñảm sao cho thông số công
nghệ ñạt ñược mục ñích mong muốn. Về phương diện chức năng, các phần tử
trên có thể hợp thành 2 khối chính trong hệ thống ñược mô tả trên hình 1.2.
Hình 1.1. Sơ ñồ khối các phần tử trong hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng.
CQðK
CCCH
TBCN
TðCN
vào

TSCN
u
d
e
u
y

KCN
CBð
Cðð
x tín hiệu chủ ñạo.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
4






Trong ñó, TBðC là thiết bị ñiều chỉnh, ðTðC là ñối tượng ñiều chỉnh. ðể
tổng hợp một hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng trước hết ta cần phải nghiên cứu các
ñặc tính của tất cả các phần tử trong hệ thống. Cụ thể là ñặc tính của ðTðC và
TBðC.
1. ðối tượng ñiều chỉnh công nghiệp.
1.1. Các ñặc tính của ñối tượng ñiều chỉnh.
Việc nghiên cứu ñối tượng ñiều chỉnh phải xuất phát từ việc nghiên cứu các
hiện tượng hoá lý xảy ra trong ñối tượng công nghệ (thiết bị công nghệ). Các
hiện tượng này luôn liên quan ñến dòng vật chất hay dòng năng lượng chảy vào
Q

V
và chảy ra Q
R
từ ñối tượng, tạo nên môi trường hoạt ñộng của quy trình công
nghệ. Khi Q
V
= Q
R
các quá trình trong ñối tượng tồn tại ở trạng thái dừng, ñối
tượng ở trạng thái cân bằng. Khi Q
V
≠ Q
R
sẽ tồn tại sự vận ñộng trong môi
trường hoạt ñộng của ñối tượng. Giá trị ∆Q = Q
V
- Q
R
ñược gọi là tác ñộng nhiễu
lên ñối tượng. Nó là ñại lượng ñặc trưng cho tác ñộng vào của ñối tượng. Năng
lượng hoặc vật chất sẽ ñược tích luỹ hay chuyển hoá trong lòng ñối tượng. Các
quá trình này ñược phản ánh thông qua một số thông số kỹ thuật của ñối tượng
và ñược gọi là tín hiệu ra của ñối tượng.
Thông số kỹ thuật ñặc trưng nhất cho các quá trình xảy ra trong ñối tượng
ñược gọi là thông số công nghệ và nó chính là ñại lượng cần ñiều chỉnh y. Tác
ñộng ảnh hưởng trực tiếp lên thông số công nghệ ñược gọi là tác ñộng công
nghệ. Tác ñộng công nghệ thường ñược sử dụng là dòng vào của ñối tượng
(trong một số trường hợp tác ñộng công nghệ có thể là dòng ra). Tác ñộng ñiều
chỉnh u từ thiết bị ñiều chỉnh thường ảnh hưởng trực tiếp lên dòng vào của ñối
Hình 1.2. Sơ ñồ tổng quát của hệ ñiều chỉnh tự ñộng.

e
x
TBðC
u
d
ðTðC
y

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
5


tượng thông qua thiết bị ñược gọi là cơ cấu chấp hành (CCCH) và cơ quan ñiều
chỉnh (CQðC). Sơ ñồ cấu trúc khối vào ra của ñối tượng mô tả trên hình 1.3.
Hai tính chất cơ bản của ñối tượng ñiều chỉnh là khả năng tích luỹ năng
lượng hay vật chất trong lòng nó, còn gọi là tính dung lượng và tính tự cân bằng.
Nghiên cứu bản chất vật lý của ñối tượng chính là nghiên cứu các tính chất này
của nó.
1.1.1. Tính dung lượng.
Các ñối tượng ñiều chỉnh luôn có khả năng tích tuỹ môi trường hoạt ñộng
và dự trữ trong bản thân mình. Khă năng ñó ñược gọi là khả năng tích luỹ của
ñối tượng hay còn gọi là tính dung lượng của ñối tượng. Sự tích luỹ của ñối
tượng ñược phản ánh ra bên ngoài thông qua giá trị ñại lượng cần ñiều khiển y.
Khi Q
V
= Q
R
ñối tượng ở trạng thái cân bằng. Sự tích luỹ trong lòng ñối tượng
không thay ñổi, ñại lượng cần ñiều chỉnh không thay ñổi. Khi có sự mất cân
bằng vào ra Q

V
≠ Q
R
, tích luỹ trong lòng ñối tượng sẽ thay ñổi làm thay ñổi ñại
lượng cần ñiều khiển.
ðối tượng có dung lượng càng nhỏ thì tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần
ñiều chỉnh càng tăng khi có sự mất cân bằng giữa dòng ra và dòng vào dẫn ñến
quá trình ñiều chỉnh càng phức tạp. Ngược lại, dung lượng của ñối tượng càng
lớn thì tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh càng chậm, quá trình ñiều
chỉnh càng ñơn giản.
1.1.2. Tính tự cân bằng.
Là khả năng của ñối tượng sau khi có nhiễu tác ñộng phá vỡ trạng thái cân
bằng của ñối tượng thì nó sẽ tự ñiều chỉnh ñể trở lại trạng thái cân bằng mà
Hình 1.3. Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh.
CQðC
CCCH
ðTðC
Nguồn
Dòng vào
Dòng ra
u
Q
R
Q
V
y


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
6

không cần có sự tác ñộng từ bên ngoài. ðối tượng có tính tự cân bằng ñược gọi
là ñối tượng tĩnh. ðối tượng không có tính tự cân bằng ñược gọi là ñối tượng phi
tĩnh.
1.1.3. Hàm quá ñộ.
Các ñặc tính ñộng học của ñối tượng ñược
phản ánh ñầy ñủ thông qua các ñặc tính thời gian
của nó mà ñặc trưng nhất là hàm quá ñộ. Hàm quá
ñộ của ñối tượng tự cân bằng trong công nghiệp có
hình dạng như ñồ thị ñược mô tả ở trên hình 1.4.
Từ hàm quá ñộ này ta nhận thấy giai ñoạn ñầu
sau khi có tác ñộng của nhiễu thì tín hiệu ra chưa
thay ñổi ngay mà phải mất một thời gian
0
τ
thì tín
hiệu mới thay ñổi, như vậy trong cấu trúc của ñối tượng có thành phần trễ với
thời gian trễ bằng
0
τ
. ðối với ñối tượng có tính tự cân bằng thì ở trạng thái xác
lập tín hiệu ra tỷ lệ với tín hiệu vào. Như vậy, ñối với hàm quá ñộ tín hiệu vào
bằng 1 nên h(∞) sẽ có giá trị bằng hệ số truyền của ñối tượng. Như vậy, dạng
tổng quát hàm truyền ñạt của ñối tượng có tính tự cân bằng ñược mô tả như sau:

s
dd
esWKsW
0

).()(
0
τ
= (1.1)
Trong ñó, K
d
là hệ số truyền của ñối tượng;
0
τ
là thời gian trễ vận chuyển;

1......
1......
)(
1
1
10
1
1
10
0
++++
++++
=
=
−
=
−
sasasa
sbsbsb

sW
n
nn
m
mm
(1.2)
ðối tượng gồm 2 khâu mắc nối tiếp nhau là: Khâu trễ có hàm truyền ñạt
s
e
0
τ
−
và khâu tĩnh có hàm truyền ñạt K
d
.W
0
(s). Khâu tĩnh có hàm quá ñộ ñược
biểu diễn trên ñồ thị bắt ñầu từ thời gian t = τ
0
cho ñến hết quá trình. Trong thực
tế khâu tĩnh có thể lấy gần ñúng một trong bốn dạng sau: Khâu bậc nhất, bậc
nhất có trễ, khâu bậc hai và bậc hai có trễ.
Khi khâu tĩnh là bậc nhất thì ñối tượng có hàm truyền ñạt dạng:
Hình 1.4: Hàm quá ñộ của ñối
tượng tự cân bằng.
0
t
t
0
h(t)

K

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
7



s
d
e
sT
K
sW
0
1.
)(
τ
−
+
=
(1.3)
Nếu khâu tĩnh là hàm bậc nhất có trễ thì ñối tượng ñược mô tả bằng hàm truyền
ñạt dạng:
s
d
d
e
sT
K
sW

)(
0
1.
)(
ττ
+−
+
=
(1.4)
Trong ñó, τ
d
ñược gọi là trễ dung lượng.
Khâu tĩnh có hàm bậc hai thì ñối tượng có
hàm truyền ñạt:
s
d
e
sTsT
K
sW
0
1..
)(
2
2
1
τ
−
++
=

Trường hợp khâu tĩnh là bậc hai có trễ thì
hàm truyền ñạt ñối tượng có dạng:
s
d
d
e
sTsT
K
sW
)(
2
2
1
0
1..
)(
ττ
+−
++
=
Các thông số của khâu tĩnh có thể xác ñịnh
bằng phương pháp ñồ thị hoặc ñồ thị giải
tích.
Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng ñược mô tả trên hình 1.5.
Từ ñường quá ñộ này có thể nhận thấy cấu trúc của ñối tượng có thành phần trễ
với thời gian trễ bằng ι
0
, có thành phần quán tính và có thành phần tích phân. Do
có thành phần quán tính nên tốc

ñộ tăng của h(t) thay ñổi ñến xác lập còn thành
phần tích phân làm cho h(t) tiến xa vô cùng với tốc ñộ không ñổi. Hàm truyền
ñạt của các ñối tượng không có tính tự cân bằng ñược mô tả dưới dạng tổng
quát:

s
d
esW
sT
sW
0
).(
.
1
)(
0
τ
−
= (1.5)
Trong ñó: K
d
là hệ số truyền của ñối tượng; τ
0
là thời gian trễ;
W
0
(s) là hàm truyền ñạt của thành phần tĩnh có dạng tổng quát:

1......
1......

)(
1
1
10
1
1
10
0
++++
++++
=
−
−
−
−
sasasa
sbsbsb
sW
n
nn
m
mm
(1.6)
Hình 1.5: Hàm quá ñộ của ñối tượng
không tự cân bằng.

t
h(t)
0

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
8


Như vậy, ñối tượng không có tính tự cân bằng (ñối tượng phi tĩnh) là ñối
tượng khi có tác ñộng của nhiễu phá vỡ trạng thái cân bằng của nó thì trạng thái
của nó tiến xa vô cùng với tốc ñộ không ñổi. Như vậy, trong lòng ñối tượng có
sự thay ñổi tích luỹ do sự mất cân bằng gây ra. Nhưng sự tích lũy này không trở
lại sự mất cân bằng.
Trong thực tế hàm truyền ñạt của ñối tượng không có tính tự cân bằng ñược
mô tả gần ñúng bằng một trong bốn dạng sau:
* Tích phân ñơn thuần:
sT
sW
d
.
1
)( =
(1.7)
* Quán tính tích phân:
)1.(.
1
)(
1
+
=
sTsT
sW
d
(1.8)

* Tích phân có trễ:
sT
e
sW
s
d
.
)(
τ
−
=
(1.9)
* Quán tính tích phân có trễ:
)1.(.
)(
1
0
+
=
−
sTsT
e
sW
s
d
τ
(1.10)
Các thông số của ñối tượng hoàn toàn có thể xác ñịnh ñược gần ñúng từ hàm quá
ñộ bằng phương pháp thuần tuý ñồ thị giải tích.
1.1.4. Xác ñịnh hàm truyền ñạt của ñối tượng từ hàm quá ñộ h(t).

Một trong những việc cần thiết khi tổng hợp hệ thống ñiều khiển là phải
xác ñịnh hàm truyền ñạt của ñối tượng ñiều khiển. Tuy nhiên việc xác ñịnh
phương trình vi phân các ñối tượng trong công nghiệp là rất phức tạp và hầu như
không thực hiện ñược. Do vậy việc xác ñịnh mô tả toán học của các ñối tượng
này thường ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm. Kết quả nhận ñược từ hàm cuối
cùng là hàm h(t). Vì vậy vấn ñề ñặt ra là phải xác ñịnh ñược hàm truyền ñạt của
ñối tượng từ hàm quá ñộ.
1.1.4.1. ðối tượng tự cân bằng.
Dạng tổng quát hàm quá ñộ của ñối tượng có tính tự cân bằng ñược mô tả
trên hình 1.6. Quan sát hàm h(t) có thể khẳng ñịnh trong cấu trúc của ñối tượng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
9


có khâu trễ với thời gian trễ bằng τ
0
, một khâu khuếch ñại có hệ số truyền K và
một khâu thứ ba có hàm truyền ñạt W
0
(s).
Như vậy, hàm truyền ñạt của ñối tượng có dạng:
s
d
esWKsW
τ
−
= ).(.)(
1
(1.11)

Sơ ñồ khối cấu trúc của ñối tượng ñược mô tả trong hình 1.7. Từ sơ ñồ
khối cấu trúc của ñối tượng ta nhận thấy: h
1
(t) = h(t+ τ
0
).
Như vậy, chuyển trục tung ñến vị trí τ
0
sẽ nhận ñược hàm h
1
(t). Còn
)(
t
σ
=h
1
(t)/k ñược gọi là hàm so chuẩn. Nhiệm vụ cuối cùng ở ñây là phải xác
ñịnh ñược hàm truyền ñạt
W
1
(s) từ hàm so chuẩn

)(
t
σ
. Trước hết chọn dạng
hàm truyền ñạt của W
1
(s)
theo phương pháp
kinh
nghiệm như sau: Trên trục
tung lấy giá trị
)(
t
σ
= 0,7
chiếu lên ñồ thị xác ñịnh
t
h(t)
Hình 1.6: Hàm quá ñộ của ñối tượng tự cân bằng.


K

0
τ
0
h
1
(t)
Hình 1.7: Sơ ñồ khối cấu trúc ñối tượng.

W
1
(s)
K
e
-τs
1(t)
h
1
(t)
h(t)
σ
(t)
t
t
3

t
7

0


t
3
=
3
7
t

0,7

7,0
σ

)(
t
σ

1


σ(t
3
)
Hình 1.8: Trình tự cách chọn dạng hàm W
1
(p)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
10


ñược ñiểm
7,0
σ
(xem hình 1.8). Từ ñiểm này chiếu lên trục thời gian xác ñịnh
ñược giá trị t

7
. Tính t
3
= t
7
/3.
Từ ñiểm thời gian t
3
chiếu lên ñồ thị
)(
t
σ
xác ñịnh ñược ñiểm
)(
3
t
σ
.Từ ñiểm ñồ
thị này chiếu lên trục tung sẽ xác ñịnh ñược giá trị của
)(
3
t
σ
. Dạng hàm truyền
ñạt W
1
(s) ñược chọn theo kinh nghiệm sau:
Nếu
)(
3

t
σ
> 0,31 thì chọn:
1
)(
1
1
+
=
−
Ts
e
sW
s
τ
(1.12)
Nếu 0,19 ≤ )(
3
t
σ
≤ 0,31 thì chọn:
)1.)(1.(
1
)(
21
1
++
=
sTsT
sW

(1.13)

Còn nếu
)(
3
t
σ
< 0,19 thì chọn:
)1.)(1.(
)(
21
1
1
++
=
−
sTsT
e
sW
s
τ
(1.14)
Trong ñó τ
1
ñược gọi là trễ dung lượng. Bước tiếp theo cần phải thực hiện
là xác ñịnh các thông số của hàm W
1
(s) dựa trên ñồ thị hàm
)(
t

σ
. Nếu W
1
(s) có
dạng:
1
)(
1
1
+
=
−
Ts
e
sW
s
τ
thì thông số của nó có thể xác ñịnh bằng 2 cách: cách thứ
nhất ñược gọi là phương pháp ñồ thị. Trên ñồ thị
)(
t
σ
chọn ñiểm uốn và kẻ tiếp
tuyến với ñường cong tại
ñiểm uốn sẽ xác ñịnh ñược
các thông số τ
1
và T
(hình 1.9)
Ưu ñiểm của phương pháp

ñồ thị là ñơn giản còn
nhược ñiểm cơ bản của nó
là sai số tương ñối lớn. ðể
tăng ñộ chính xác có thể sử
dụng phương pháp ñồ thị
giải tích. Phương pháp ñồ
σ(t)
0
t
T
τ
1
1
Hình 1.9: Xác ñịnh thông số mô hình.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật .................
11


thị giải tích ñược trình bày như sau:
Từ hàm truyền ñạt:
1
)(
1
1
+
=
−
Ts
e

sW
s
τ
(1.15)
Xác ñịnh ñược:
)(
t
σ
= 1-
T
e
1
1
τ
−
(1.16)
Nhiệm vụ tiếp theo là phải xác ñịnh các thông số τ
1
và T sao cho ñồ thị
của
)(
t
σ
gần với ñường ñồ thị nhất. Chọn 2 ñiểm A và B trên ñồ thị sao cho giá
trị
A
σ
= 0,1 ÷ 0,2 xác ñịnh ñược t
A
và

B
σ
= 0,7 ÷ 0,8 xác ñịnh ñược t
B
Như vậy, ta có:
A
σ
= 1-
T
t
A
e
1
τ
−
−
T
t
A
A
e
1
1
τ
σ
−
−
=−⇒

B

σ
= 1-
T
t
B
e
1
τ
−
−
T
t
B
B
e
1
1
τ
σ
−
−
=−⇒

ln(1-
A
σ
) =
T
t
A 1

τ
−
−
và ln(1-
B
σ
) =
T
t
B 1
τ
−
−

Suy ra:
1
1
)1ln(
)1ln(
τ
τ
σ
σ
−
−
=
−
−
B
A

B
A
t
t

Như vậy: ln(1-
A
σ
) - ln(1-
B
σ
) =
T
tt
AB
−

T =
)1ln()1ln(
BA
AB
tt
σσ
−−−
−

Hàm truyền ñạt của ñối tượng:
1.
.
)(

+
=
−
sT
ek
sW
s
d
τ
(1.17) với τ = τ
0
+ τ
1

Nếu dạng hàm truyền
ñạt của W
1
(s) là khâu
bậc hai quán tính:
)1.)(1.(
1
)(
21
1
++
=
sTsT
sW

thì các thông số của

W
1
(s) có thể xác ñịnh
bằng phương pháp ñồ
thị giải tích. Trước hết
σ(t)
Hình 1.10: Xác ñịnh các hệ số.
0
t
a
1
b
c
t
u
2t
u