Nghiên cứu các phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống điều chỉnh tự động công nghiệp

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


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


Lê xuân hải




Nghiên cứu các phơng pháp nâng cao
chất lợng của hệ thống điều chỉnh
tự động 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 khoa học của riêng tôi. Các
số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ñược ai công
bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác.

Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2010
Học viên



LÊ XUÂN HẢI

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

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp Hà
Nội. Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật với ñề tài: “ Nghiên cứu
các phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng công
nghiệp ”.
Tôi xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Văn Hoà – Bộ môn ñiều khiển tự ñộng
Trường ðại học Bách khoa Hà Nội ñã tận tình hướng dẫn và tạo mọi ñiều kiện
thuận lợi cho tôi hoàn thành mảng nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn ðiện kỹ thuật – Khoa Cơ ñiện, Viện ðào tạo
sau ðại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý kiến
quý báu ñể luận văn của tôi ñược hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban giám hiệu và lãnh ñạo Khoa
ðiện, Trường Cao ñẳng Công nghiệp và Xây dựng nơi tác giả công tác ñã tạo mọi
ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tác giả hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè ñồng nghiệp và nhất là gia
ñình ñã ñộng viên khích lệ ñể hoàn thành khóa học này.

Hà Nội, ngày …. tháng ….. năm 2010
Học viên

Lê Xuân Hải

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

MỤC LỤC
Lời cam ñoan…………………………………………………………………i
Lời cảm ơn…………………………………………………………………...ii
Mục lục………………………………………………………………………iii
Danh mục bảng……………………………………………………………...vi
Danh mục hình……………………………………………………………..vii
MỞ ðẦU........................................................................................................i
1. Cơ sở lựa chọn ñề tài ..............................................................................1
2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................1
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài.................................................1
4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu.............................................................2
5. Tóm tắt nội dung luận văn ......................................................................2
CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT VÀ ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ
THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG CÔNG NGHIỆP................................3
1.1. Các ñối tượng trong công nghiệp.........................................................3
1.1.1. Tính dung lượng. ..........................................................................4
1.1.2. Tính tự cân bằng. ..........................................................................6
1.1.3. Hàm quá ñộ...................................................................................7
1.2. Thiết bị ñiều khiển công nghiệp PID..................................................11
1.2.1. Mô hình bộ ñiều khiển. ...............................................................11
1.3. Khảo sát chất lượng của hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng công nghiệp sử
dụng các thuật toán kinh ñiển. ..................................................................14
1.3.1. Các thuật toán kinh ñiển..............................................................14
1.3.2. Các phương pháp chỉnh ñịnh dựa theo mô hình ñối tượng và theo

ñường ñặc tính......................................................................................15
1.4. ðánh giá chất lượng hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng công nghiệp hiện
nay............................................................................................................20
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
iv

1.4.1. Các thông số của các bộ ñiều khiển sử dụng các thuật toán kinh
ñiển ñối với lò gió nóng........................................................................20
1.4.2. So sánh nhận xét các phương pháp Hallman, SO, Kappa Tau, Ziegler-
Nichols. .................................................................................................22
1.4.3. So sánh các trường hợp của Chien – Hrones – Reswick..............24
1.4.4. So sánh 3 phương pháp Hallman, KappaTau, Chien – Hrones –
Reswick................................................................................................25
1.5. Tóm lại ..............................................................................................27
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ
THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG
CẤU TRÚC PID CÓ THỐNG SỐ THAY ðỔI........................................28
2.1. ðịnh nghĩa về ñiều khiển có thông số thay ñổi (tự chỉnh). ................28
2.2. Sơ lược về ñiều khiển thích nghi.......................................................31
2.3. Các hệ thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh) tiêu biểu................33
2.3.1. Hệ thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh) hệ số khuếch ñại...33
2.3.2. Hệ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu...............................33
2.3.3 Hệ ñiều khiển thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh). ............34
2.4. Tổng hợp bộ ñiều khiển thích nghi ....................................................36
2.4.2 Xây dựng thuật toán ñiều khiển thích nghi...................................37
2.5. Mô phỏng trên phần mềm Matlab. .................................................45
2.5.1. Khảo sát hệ thống ñiều khiển thông thường (không có thích nghi)
.............................................................................................................46
2.5.2. Khảo sát hệ thống ñiều khiển có thích nghi với tham số ñã biết
trước.....................................................................................................46

2.5.3 Khảo sát hệ thống ñiều khiển có thích nghi với tham số chưa biết
trước.....................................................................................................48
2.5.4. Xét hệ thống ñiều khiển có ñối tượng cùng hàm trong thích nghi51
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
v

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ
THỐNG ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG
CẤU TRÚC MỜ PID .................................................................................53
3.1. Tổng hợp bộ ñiều khiển mờ lai. ........................................................53
3.1.1 Cấu trúc bộ ñiều khiển mờ. ..........................................................54
3.1.2 Nguyên lý ñiều khiển mờ.............................................................57
3.1.3. Chọn thiết bị hợp thành...............................................................59
CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG THỰC
.....................................................................................................................73
4.1. Khảo sát chất lượng trong hệ thống thực sử dung thuật toán kinh ñiển.
.................................................................................................................73
4.2. Khảo sát chất lượng trong hệ thống thực sử dụng PID có thông số thay
ñổi. ...........................................................................................................74
4.2.1. Khảo sát thực lò gió nóng có thích nghi với tham số ñã biết trước.
.............................................................................................................74
4.2.2. Khảo sát thực lò gió nóng có thích nghi với tham số chưa biết
trước. ....................................................................................................77
4.2.3. Khảo sát thực lò gió nóng có ñối tượng cùng hàm trong thích nghi.
.............................................................................................................79
4.3. Khảo sát chất lượng trong hệ thống thực sử dụng cấu trúc mờ PID....83
4.3.1. ðiều khiển thực lò gió nóng bằng phương pháp ñiều khiển mờ...83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................86
1. Kết luận................................................................................................86
2. Kiến nghị..............................................................................................87

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

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: 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
................................................................................ 17
Bảng 1.2: 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%.................................................................................... 17
Bảng 1.3: 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 không có
ñộ quá ñiều chỉnh
max
h∆
........................................................................... 17
Bảng 1.4: 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 ∞→
= ............. 18
Bảng 1.5: Bảng lựa chọn các hệ số theo phương pháp Kappa Tau................ 19
Bảng 1.6. Các thông số của các bộ ñiều khiển sau khi tiến hành thí

nghiệm sử dụng các thuật toán kinh ñiển ñối với lò gió nóng.............. 20
Bảng 3.1: Biểu diễn tập các luật ñiều khiển dưới dạng ma trận..................... 59
Bảng 3.2: Luật chỉnh ñịnh k
R
........................................................................ 63
Bảng 3.3: Luật chỉnh ñịnh k
D
........................................................................ 63
Bảng 3.4: Luật ñiều chỉnh α ......................................................................... 64
Bảng 4.1: Tổng hợp các chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển
thực theo các phương pháp kinh ñiển.................................................. 81
Bảng 4.2: Tổng hợp chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển
thực
có thích nghi ............................................................................... 82
Bảng 4.3: Tổng hợp chỉ tiêu ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển
thực theo
phương pháp chỉnh ñịnh mờ bộ PI....................................... 85

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

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh........................................ 4
Hình 1.2. ðối tượng ñiều chỉnh mức nước. ............................................................. 6
Hình 1.3: Hàm quá ñộ của ñốitượng tự cân bằng..................................................... 8
Hình 1.4. Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng………………………….21
Hình 1.5. Hàm quá ñộ của ñối tượng không ổn ñịnh. ............................................ 10
Hình 1.6. Mô hình bộ ñiều khiển........................................................................... 11
Hình 1.7: Mô hình bộ ñiều khiển trong miền Laplace……………………………..12
Hình 1.8: ðường ñặc tính quá ñộ của ñối tượng theo phương pháp ....................... 16

Hình 1.9. So sánh các bộ PI của Hallman, Kappa Tau, Ziegler theo ñặc tính ra của
hệ thống.................................................................................................... 23
Hình 1.10. ðặc tính của hệ với bộ PI của các phương pháp Hallman, SO,............. 23
Hình 1.11. So sánh các trường hợp lựa chọn thông số PI của Chien – Hrones –
Reswick.................................................................................................... 24
Hình 1.12. ðáp ứng của hệ thống khi sử dụng các cách lựa chọn thông số PI của
Chien – Hrones – Reswick. ...................................................................... 25
Hình 1.13. So sánh 3 phương pháp Hallman, KappaTau, Chien – Hrones – Reswick.
................................................................................................................. 26
Hình 1.14. ðáp ứng của hệ thống khi sử dụng PI của Hallman, Kappa Tau, Chien –
Hrones – Reswick..................................................................................... 26
Hình 2.1. Ví dụ về ñiều khiển có thông số thay ñổi (tự chỉnh)............................... 28
Hình 2.2: Cấu trúc chung của hệ thống ñiều khiển thích nghi................................ 32
Hình 2.3: Hình ñiều khiển thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh)
hệ số khuếch
ñại. ........................................................................................................... 33
Hình 2.4: Hệ thích nghi theo mô hình mẫu............................................................ 34
Hình 2.5:Hệ thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh) gián tiếp…………………
Hình 2.6:Hệ thích nghi có thông số thay ñổi (tự chỉnh) trực tiếp. .......................... 36
Hình 2.7: Sơ ñồ cấu trúc hệ ñiều khiển thích nghi theo (2.19). .............................. 40
Hình 2.8: Sơ ñồ cấu trúc hệ ñiều khiển thích nghi theo (2.20). .............................. 41
Hình 2.9: Sơ ñồ cấu trúc hệ ñiều khiển thích nghi ñối tượng là khâu quán tính bậc
nhất có trễ ñã biết trước tham số............................................................... 41
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
viii

Hình 2.10: Cấu trúc hệ thống ñiều khiển thích nghi ñối tượng ñiều khiển là khâu
quán tính bậc nhất có trễ chưa biết trước tham số. .................................... 45
Hình 2.11: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thường cho ñối tượng lò gió nóng. ........... 46
Hình 2.12: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thường cho ñối tượng lò gió nóng......... 46

Hình 2.13. Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với
tham số ñã biết trước (có khâu phản hồi). ................................................. 47
Hình 2.14: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối. tượng lò gió
nóng với tham số ñã biết trước (có khâu phản hồi) ……………………….47
Hình 2.15: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với
tham số ñã biết trước (không có khâu phản hồi)........................................ 48
Hình 2.16: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng
với tham số ñã biết trước (không có khâu phản hồi). ................................ 48
Hình 2.17: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với
tham số chưa biết trước (có khâu phản hồi). ............................................. 49
Hình 2.18: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng
với tham số chưa biết trước (có khâu phản hồi) ........................................ 49
Hình 2.19: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng với
tham số chưa biết trước (không có khâu phản hồi).................................... 50
Hình 2.20: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng
với tham số chưa biết trước (không có khâu phản hồi).............................. 50
Hình 2.21: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng có
cùng hàm trong thích nghi (có phản hồi)................................................... 51
Hình 2.22: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng có
cùng hàm trong thích nghi (có phản hồi)................................................... 51
Hình 2.23: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng có
cùng hàm trong thích nghi (không có phản hồi)........................................ 52
Hình 2.24: Kết quả mô phỏng ñiều khiển có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng có
cùng hàm trong thích nghi (không có phản hồi)........................................ 52
Hình 3.1: Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển mờ........................................................... 54
Hình 3.2: Hệ thống ñiều khiển mờ. ....................................................................... 57
Hình 3.3: Phương pháp chỉnh ñịnh mờ thông số PID. ........................................... 60
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
ix

Hình 3.4: Bên trong bộ chỉnh ñịnh mờ. ................................................................. 61
Hình 3.5: ðịnh nghĩa các tập mờ vào/ra. ............................................................... 62
Hình 3.6: Sơ ñồ khối hệ thống mờ tỉ lệ.................................................................. 64
Hình 3.7: Biến ñầu vào của hệ thống mờ tỉ lệ........................................................ 65
Hình 3.8: Biến ñầu ra của hệ thống mờ tỉ lệ. ......................................................... 65
Hình 3.9. Sơ ñồ cách chọn luật mờ........................................................................ 65
Hình 3.10: Luật ñiều khiển của hệ thống mờ tỉ lệ. ................................................. 66
Hình 3.11: Sự phụ thuộc giữa các biến vào/ra của hệ thống mờ tỉ lệ...................... 66
Hình 3.12: Quan hệ giữa các biến vào/ra của hệ thống mờ tỉ lệ. ............................ 67
Hình 3.13: Sơ ñồ mô phỏng theo phương pháp của hệ thống mờ tỉ lệ.................... 67
Hình 3.14. Kết quả mô phỏng theo phương pháp của hệ thống mờ tỉ lệ................. 67
Hình 3.15. Sơ ñồ khối hệ thống mờ hai vào một ra................................................ 68
Hình 3.16. Biến ñầu vào de/dt hệ thống mờ hai vào một ra. .................................. 68
Hình 3.17. Biến ñầu vào e hệ thống mờ hai vào một ra. ........................................ 69
Hình 3.18. ðầu ra hệ thống mờ hai vào một ra...................................................... 69
Hình 3.19. Sự phụ thuộc biến ñầu vào ra hệ thống mờ hai vào một ra. .................. 70
Hình 3.20. Luật hệ thống mờ hai vào một ra. ........................................................ 70
Hình 3.21. Bảng ma trận cách xác ñịnh luật ñiều khiển mờ................................... 70
Hình 3.22. ðáp ứng ñầu ra của hệ thống mờ hai vào một ra. ................................. 72
Hình 3.23. Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển hệ thống mờ hai vào một ra với ñối tượng lò
gió nóng.. ................................................................................................. 72
Hình 3.24. Kết quả mô phỏng hệ thống mờ hai vào một ra với ñối tượng lò gió nóng.... 72
Hình 4.1. Sơ ñồ mô phỏng hệ thống thực sử dụng thuật toán kinh ñiển. ................ 73
Hình 4.2. Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực với K
p
=5 ,T
i
=125. ......................... 73
Hình 4.3. Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực với K
p

= 5 ,T
i
= 130. ....................... 74
Hình 4.4. Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực với K
p
= 4,5, T
i
= 130. .................... 74
Hình 4.5. Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực với K
p
= 4.5,T
i
=125. ...................... 74
Hình 4.6: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng
với tham số ñã biết trước (có khâu phản hồi). ........................................... 75
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng
Lò gió
nóng với tham số ñã biết trước (có khâu phản hồi). .................................. 75
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
x

Hình 4.8: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng
với tham số ñã biết trước (không có khâu phản hồi). ................................ 76
Hình 4.9: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng
lò ñiện
trở với tham số ñã biết trước (không có khâu phản hồi). ........................... 76
Hình 4.10: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng
lò gió
nóng với tham số chưa biết trước (có khâu phản hồi)................................ 77
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng

lò gió
nóng với tham số chưa biết trước (có khâu phản hồi)................................ 77
Hình 4.12: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng
lò gió
nóng với tham số chưa biết trước (không có khâu phản hồi)..................... 78
Hình 4.13: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối
tượng lò gió nóng với tham số chưa biết trước (không có khâu phản hồi). 78
Hình 4.14: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng
có cùng hàm trong thích nghi (có phản hồi).............................................. 79
Hình 4.15: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió
nóng có cùng hàm trong thích nghi (có phản hồi). .................................... 79
Hình 4.16: Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió nóng
có cùng hàm trong thích nghi (không có phản hồi). .................................. 80
Hình 4.17: Kết quả mô phỏng ñiều khiển thực có thích nghi cho ñối tượng lò gió
nóng có cùng hàm trong thích nghi (không có phản hồi)........................... 80
Hình 4.18: Sơ ñồ mô phỏng thực theo phương pháp chỉnh ñịnh mờ bộ PI với K
R

không ñổi cho ñối tượng lò gió nóng. ....................................................... 83
Hình 4.19: Kết quả mô phỏng thực theo phương pháp chỉnh ñịnh mờ bộ PI với K
R

không ñổi cho ñối tượng lò gió nóng. ....................................................... 83
Hình 4.20: Sơ ñồ phỏng thực theo phương pháp chỉnh ñịnh mờ bộ PI với Ti không
ñổi cho ñối tượng lò gió nóng................................................................... 84
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng thực theo phương pháp chỉnh ñịnh mờ bộ PI với Ti
không ñổi cho ñối tượng lò gió nóng. ....................................................... 84

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

DANH MỤC VIẾT TẮT


CCCH : Cơ cấu chấp hành
CQðC : Cơ quan ñiều chỉnh
W(P) : Hàm truyền ñạt
ðTðC : ðối tượng ñiều chỉnh
K
P :
Hệ số khuếch ñại
T
I :
Hằng số thời gian tích phân
T
D :
Hằng số thời gian vi phân
xiii
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
1

1. MỞ ðẦU
1. Cơ sở lựa chọn ñề tài
Mục tiêu của ñiều khiển là ngày càng nâng cao chất lương các hệ thống ñiều
chỉnh 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.
Trong công nghiệp có các loại ñối tượng có tham số biến thiên chậm tồn tại rất

nhiều và cần phải ñề cập tới. Ví dụ như ñiều khiển nhiệt ñộ lò nung, lò gió nóng hay
lò sấy… ðã có nhiều công trình nghiên cứu trước ñây và cho nhiều kết quả nghiên
cứu ứng dụng rất tốt.
Bộ ñiều khiển PID ñược ứng dụng hầu hết trong việc ñiều khiển ñối tượng
trong công nghiệp. Tuy nhiên việc lựa chọn các thông số của bộ ñiều khiển sao cho
chất lượng tốt nhất ñã làm cho nhiều người trong lĩnh vực ñiều khiển quan tâm. ðể
tăng chất lượng ñiều khiển phải phối hợp ñiều khiển kinh ñiển với thích nghi, kỹ
thuật logic mờ… Do vậy luận văn có tên “Nghiên cứu các phương pháp nâng cao
chất lượng của hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng công nghiệp ”. Luận văn tập trung
nghiên cứu các ñối tượng phổ biến trong công nghiệp và tiến hành nghiên cứu kháo
sát và ñánh giá các thuật toán kinh ñiển và các thuật toán ñặc biệt như tự chỉnh ñể
so sánh ñiều khiển lò gió nóng hay còn gọi là lò sấy tại Bộ môn ðiều khiển tự ñộng
tại Trường ðại học Bách khoa Hà Nội.
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 góp phần chuẩn hóa và hoàn thiện phương pháp
thiết kế bộ ñiều khiển ñể ñiều khiển ñối tượng phổ biến trong công nghiệp.
Về thực tiễn: Với kết quả thu ñược của ñề tài ñã góp phần:
- Giải quyết một phần những khó khăn trong việc tổng hợp hệ ñiều khiển mờ.
-Tổng hợp bộ ñiều khiển mờ cho ñối tượng có trễ.
- Nâng cao chất lượng của hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng công nghiệp cho ñối
tượng biến ñổi chậm.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
2

4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến những vấn ñề sau:

- Nghiên cứu về các ñặc tính của ñối tượng phổ biến trong công nghiệp
- Nghiên cứu khảo sát và ñánh giá chất lượng của hệ thống ñiều chỉnh tự
ñộng dùng thuật toán kinh ñiển ñể ñiều khiển lò sấy.
- Nghiên cứu áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết về ñiều khiển mờ và
hệ tự chỉnh nâng cao chất lượng ñiều khiển cho lò sấy.
5. Tóm tắt nội dung luận văn
Chương 1: Có tiêu ñề “ Khảo sát và ñánh giá chất lượng ñiều chỉnh tự
ñộng công nghiệp hiện nay.
Chương này trình bày một số vấn ñề cơ bản về các ñặc tính của một số ñối
tượng phổ biến trong công nghiệp hiện nay, khảo sát và ñánh giá chất lượng của các
bộ ñiều chỉnh tự ñộng sử dụng các thuật toán kinh ñiển và so sánh giữa các thuật
toán tiến hành mô phỏng cho ñối tượng lò gió nóng. Dựa vào kết quả mô phỏng ñể
ñánh giá chất lượng cho từng phương pháp, nêu lên những tồn tại chưa giải quyết
ñược. ðây là cơ sở ñể tạo tiền ñề cho các nghiên cứu ở chương 2 của luận văn.
Chương 2: Có tiêu ñề “Phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống
ñiều chỉnh sử dụng PID có thông số thay ñổi ”
Từ các kết quả nghiên cứu ở chương 1 chương này tác giả ñề cập ñến thuật
toán mới ñể chỉnh ñịnh thông số bộ ñiều khiển kinh ñiển ñịnh thông số bộ ñiều
khiển kinh ñiển ñó là tự chỉnh và tự chỉnh thích nghi từ ñó tiến hành mô phỏng khảo
sát so sánh chất lượng so với ñiều khiển thông thường trên ñối tượng lò gió nóng. .
Chương 3:“ Phương pháp nâng cao chất lượng của hệ thống ñiều chỉnh
sử dụng cấu trúc mờ PID”
Từ các kết quả nghiên cứu ở chương 2, chương này tác giả ñề cập ñến thuật
toán mới ñể chỉnh
+Tổng hợp và thiết kế bộ ñiều khiển mờ trên cơ sở lý thuyết PID kinh ñiển
và mô phỏng
Chương 4: Khảo sát và ñánh giá chất lượng trong hệ thống thực
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
KHẢO SÁT VÀ ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG
ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG CÔNG NGHIỆP

1.1. Các ñối tượng trong công nghiệp.
Một trong những nhiệm vụ cơ bản của lí thuyết ñiều khiển tự ñộng là phải
nghiên cứu ñược tính chất của ñối tượng ñiều chỉnh. Các thông tin về ñối tượng
ñiều chỉnh thu thập càng ñầy ñủ thì việc tổng hợp hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng càng
ñơn giản và quá trình ñiều chỉnh càng dễ ñạt ñộ chính xác cao. Việc nghiên cứu ñối
tượng ñiều chỉnh phải xuất phát từ việc nghiên cứu các hiện tương hóa lí xảy ra
trong ñối tượng công nghệ (thiết bị công nghệ).
Các hiện tượng này luôn luôn liên quan tới 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 lũy hay chuyển hóa trong lòng ñối tượng.
Các quá trình này ñược phản ánh thông qua một số thông số kĩ thuật của ñối tượng
và ñược gọi là tín hiệu ra của ñối tượng.
Thông số kĩ 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. Tác ñộng ñiều
chỉnh u từ thiết bị ñiều chỉnh thường ảnh hưởng trực tiếp lên dòng vào của ñối
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 ñược mô tả trên hình 1.1.


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


Hình 1.1. Sơ ñồ cấu trúc vào ra của ñối tượng ñiều chỉnh.
Hai tính chất cơ bản của ñối tượng ñiều chỉnh là khả năng tích lũy năng lượng
hay vật chất trong lòng nó, còn gọi là tính dung lượng và tính tự cân bằng. Nghiên
cứu bản chất vật lí 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 luôn có khả năng tích lũy môi trường hoạt ñộng
và dữ trữ trong bản thân mình. Khả năng ñó gọi là khả năng tích lũy của ñối tượng

hay còn gọi là tính dung lượng của ñối tượng. Sự tích lũy của ñối tượng ñược phản
ánh ra bên ngoài thông qua giá trị ñại lượng cần ñiều chỉnh y. Khi Q
V

= Q
R

ñối
tượng ở trạng thái cân bằng, sự tích lũy 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
lũy 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 nhỏ, quá trình ñiều chỉnh càng ñơn giản.
Ví dụ, ñiều chỉnh mức nước trong một bình chứa, khả năng tích lũy của bình
chính là dung tích của nó. Dung tích của bình càng lớn thì tốc ñộ thay ñổi mức càng
chậm khi có sự mất cân bằng giữa lưu lượng nước chảy vào và chảy ra, việc giữ ổn
ñịnh mực nước trong bình càng ñơn giản.
Nhìn chung tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh
dt
dy
phụ thuộc vào giá
trị mất cân bằng ∆Q giữa lượng cào và lượng ra và ñược mô tả dưới dạng.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
5

)( Q
dt
dy
∆=
ϕ
(1.1)
ðối với phần lớn ñối tượng trong thực tế, mối liên hệ này có thể mô tả gần
ñúng bằng phương trình có dạng:

γ
.Q
dt
dy
∆=
(1.2)
Trong ñó,
γ
: ñược gọi là hệ số tỉ lệ ñược gọi là hệ số nhạy cảm nhiễu của ñối
tượng. trong trường hợp công thức (1.1) không thể mô tả dưới dạng tuyến tính thì
hệ số
γ
là một giá trị phụ thuộc vào ∆Q.
Dung lượng C của ñối tượng ñược ñánh giá bằng ñộ dự trữ môi trường hoạt
ñộng trong ñối tượng. Khi ñối tượng ở trạng thái cân bằng thì dung lượng C không
thay ñổi, còn khi mất cân bằng vào – ra thì dung lượng sẽ thay ñổi và tốc dộ thay
ñổi của dung lượng bằng sự mất cân bằng vào ra dC/dt = ∆Q. Thông thường, dung
lượng của ñối tượng ñược biểu diễn thông qua hệ số ñược gọi là hệ số dung lượng c
và ñược xác ñịnh theo công thức:

y
C
c
∆
∆
=
(1.3)
Trong ñó, ∆C là sự thay ñổi tích lũy của ñối tượng dẫn ñến sự thay ñổi ∆y của
ñại lượng cần ñiều chỉnh.
Từ công thức (1.3) có thể suy ra:

Q
dt
dy
c
dt
dC
∆==
. (1.4)
Rõ ràng, hệ số dung lượng c là giá trị tỉ lệ nghịch với hệ số nhạy cảm nhiễu
γ
của ñối tượng.
Ví dụ: ðối tượng ñiều chỉnh là bình chứa nước có tiết diện s không ñổi (hình
1.2) có dòng nước Q
V
chảy vào bình từ phía trên và dòng nước Q
R

chảy ra tự nhiên
khỏi bình từ phía dưới. ðại lượng cần ñiều chỉnh ở ñây là mức nước trong bình.

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


Hình 1.2. ðối tượng ñiều chỉnh mức nước.
Khi Q
V
= Q
R
thì mức nước trong bình H = const. Hệ số dung lượng của ñối
tượng là tiết diện s của bình. Khi Q
V
≠ Q
R
thì mức nước trong bình sẽ thay ñổi.
Theo ñịnh luật bảo toàn vật chất ta có:

s
Q
sdt
dH
Q
dt
dH
s
1
.
1
=
⇒∆=⇒∆=

γ
(1.5)
Hệ số nhạy cảm nhiễu
γ
tỉ lệ nghịch với tiết diện, tức là tỉ lệ nghịch với hệ số
dung lượng.
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 hiệu chỉnh ñể trở lại trạng thái cân bằng mà không
có sự tác ñộng của 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.
Như trên ñã trình bày, tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh phụ thuộc
vào giá trị mất cân bằng ∆Q. ðối tượng sẽ có tính tự cân bằng nếu theo thời gian
vận ñộng của quá trình, tốc ñộ thay ñổi của ñại lượng cần ñiều chỉnh giảm dần và
ñối tượng sẽ ñạt trạng thái cân bằng khi tốc ñộ này xác lập ở 0. Như vậy, ñối tượng
sẽ có tính tự cân bằng nếu có sự liên hệ nghịch âm giữa ñại lượng cần ñiều chỉnh y
và giá trị mất cân bằng ∆Q.
Giá trị:
y
Q
∂
∆∂
−=
θ
ñược gọi là mức ñộ tự cân bằng của ñối tượng.
Nếu
const=
θ
thì mối liên hệ giữa ∆Q và y ñược mô tả theo công thức:
∆Q = ∆Q

0
-
θ
y (1.6)
Trong ñó: ∆Q
0
là giá trị mất cân bằng ban ñầu.
Thay (1.6) và (1.2), ta ñược:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
7

yQ
dt
dy
γθγ
−∆=
0
(1.7)
Nếu hệ số nhạy cảm nhiễu
γ
= const thì ta sẽ nhận ñược phương trình vi phân
bậc nhất dạng:

0
QKy
dt
dy
T ∆=+
(1.8)
Với

γθ
1
=T
và
θ
1
=K

Từ các phân tích trên ñây cho ta kết luận: ñối tượng sẽ có tính tự cân bằng khi
mức ñộ cân bằng
θ
> 0, trong ñối tượng tự hình thành mạch phản hồi âm từ tín hiệu
ra y nên tác ñộng nhiễu mất cân bằng ∆Q. Nếu
θ
= 0 thì giữa y và ∆Q không tồn
tại mối quan hệ nào. Tốc ñộ thay ñổi của y là cố ñịnh, ñối tượng có thành phần tích
phân, vì vậy không thể tự cân bằng. Khi
θ
< 0, trong lòng ñối tượng hình thành mối
liên hệ nghịch dương giữa tín hiệu ra y và tác ñộng vào ∆Q, tốc ñộ thay ñổi của y
càng ngày càng tăng hình thành phần tử không ổn ñịnh. Các ñặc tính ñộng học của
ñối tượng ñầy ñủ thông qua các ñặc tính thời gian của nó mà ñặc trưng nhất là hàm
quá ñộ.
1.1.3. Hàm quá ñộ.
Hàm quá ñộ của ñối tượng tự cân bằng trong công nghiệp có hình dạng như ñồ
thị ñược mô tả trên hình 1.3.
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 tỉ lệ
với tín hiệu vào. Như vậy, ñối với hàn 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:



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

K
τ
0
0
t
h(t)







Hình 1.3: Hàm quá ñộ của ñốitượng tự cân bằng.
W

d
(p) = K
d
W
0
(p)
p
e
0
τ
−

Trong ñó, K
d
là hệ số truyền của ñối tượng.

0
τ
là thời gian trễ.

1...
1...
)(
1
1
10
1
1
10
++++

++++
=
−
−
−
−
papapa
pbpbpb
pW
n
nn
m
mm
o

ðối tượng gồm hai khâu mắc nối tiếp nhau là: khâu trễ có hàm truyền ñạt
p
e
0
τ
−
và khâu tĩnh có hàm truyền ñạt K
d
W
0
(p). Giá trị
0
τ
gọi là trễ vận chuyển.
Khâu tĩnh có hàm quá ñộ ñược biểu diễn trên ñồ thị bắt ñầu từ thời gian t =

0
τ
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:

p
d
e
Tp
K
pW
0
.
1
)(
τ
−
+
=


Nếu khâu tĩnh là hàm bậc nhất có trễ thì ñối tượng ñược mô tả hảm truyền ñạt
dạng:

p
d
d
e

Tp
K
pW
)(
0
.
1
)(
ττ
+−
+
=

Trong ñó,
d
τ
ñược gọi là trễ dung lượng.
Khâu tĩnh có hàm bậc hai thì ñối tượng có hàm truyền ñạt.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
9


p
d
e
pTpT
K
pW
0
.

1
)(
2
2
1
τ
−
++
=

Trường hợp khâu tĩnh là bậc hai có trễ thì hàm truyền ñạt ñối tượng có dạng:

p
d
d
e
pTpT
K
pW
)(
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 1.4.

Hình 1.4. Hàm quá ñộ của ñối tượng không tự cân bằng.
Từ ñường quá ñộ này có thể nhận thấy cấu trúc của ñối tượng có thành phần trễ có
thời gian trễ
0
τ
, 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 thanh 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:
W
d
(p) =
Tp
1
W
0
(p)
p
e
0
τ
−

Trong ñó: K

d
: là hệ số truyền của ñối tượng;

0
τ
: là thời gian trễ.
W
0
(p): là hàm truyền ñạt cảu thành phần tĩnh có dạng tổng quát:

1...
1...
)(
1
1
10
1
1
10
++++
++++
=
−
−
−
−
papapa
pbpbpb
pW
n

nn
m
mm
o

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

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 lũy do sự mất cân bằng gây ra. Nhưng sự tích lũy này không ảnh hưởng trở
lại sự mất cân bằng.
Trong thực tế hàm truyền ñạt không có tính tự cân bằng ñược mô tả gần ñúng
bằng một trong bốn dạng sau:
* Tích phân ñơn thuần:
W
d
(p) =
pT.
1

* Quán tính tích phân:
W
d
(p) =
)1(.
1
1
+pTpT

* Tích phân có trễ:
W
d
(p) =
)1(
1
1
+pTTp
p
e
0
τ
−

* Quán tính tích phân có trễ:
W
d
(p) =
)1(.
1
1
+pTpT
p
e
0
τ
−

Các thông số của thông số hoàn toàn có thể xác ñịnh ñược gần ñúng từ hàm

quá ñộ bằng phương pháp thuần túy ñồ thị giải tích
.
0
t
h(t)

Hình 1.5. Hàm quá ñộ của ñối tượng không ổn ñịnh.
Hàm quá ñộ của ñối tượng không ổn ñịnh ñược mô tả trên hình 1.5.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
11

Khi có nhiễu tác ñộng thì trạng thái của ñối tượng thay ñổi và sự thay ñổi ñó
ñưa trạng thái của ñối tượng tiến xa vô cùng với tốc ñộ tăng ñến vô cùng. Như vậy
trong trường hợp này có sự hình thành hồi tiếp dương trong lòng ñối tượng.
Trong thực tế công nghiệp chỉ tồn tại ñối tượng tự cân bằng và ñối tượng
không tự cân bằng.
1.2. Thiết bị ñiều khiển công nghiệp PID.
Cho ñến nay các bộ ñiều khiển mạch vòng ñơn trong công nghiệp chủ yếu vẫn
sử dụng bộ ñiều khiển PID bởi tính ñơn giản trong cấu trúc, hiệu chỉnh tham số dễ
dàng và làm việc ổn ñịnh. Do ñó, các phương pháp ñiều chỉnh PID ñã ñược phát
triển nhiều kể từ khi xuất hiện bộ ñiều chỉnh PID ñầu tiên. Các thuật toán ñiều chỉnh
kinh ñiển có thể kể ñến như phương pháp Ziegler-Nichol, phương pháp phân tích
dựa trên ñồ thị quỹ ñạo nghiệm số, phương pháp dựa trên tối ưu hoá…
Các phương pháp ñó có thể chia thành các nhóm:
- Các phương pháp chỉnh ñịnh của Ziegler-Nichols.
- Các phương pháp chỉnh ñịnh trong miền tần số.
- Các phương pháp dựa trên chỉnh ñịnh Rơle.
- Phương pháp ñiều chỉnh mô hình nội.
- Các phương pháp chỉnh ñịnh PID trên cơ sở tối ưu.
- Các phương pháp khác như mờ, Nơron…

1.2.1. Mô hình bộ ñiều khiển.
Luật ñiều khiển PID tính toán tín hiệu ñiều khiển là tổng hợp của 3 thành phần
tỷ lệ P (Proprtional), tích phân I (Intergral), vi phân D (Derivative)

Hình 1.6. Mô hình bộ ñiều khiển

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …….
12

Trong ñó: y
o
: là tín hiệu chủ ñạo
y
m
: tín hiệu phản hồi từ ñối tượng
u: tín hiệu ñiều khiển (biến ñiều khiển)
y : là biến ñược ñiều khiển
d và n lần lượt là nhiễu quá trình và nhiễu ño







Cấu trúc ñơn giản nhất của bộ ñiều khiển PID
∫
++=
1
0

)(
)()()(
dt
tde
TdeKteKtu
iip
ττ

Hay viết dưới dạng tương ñương:










++=
∫
1
0
)(
)(
1
)()(
dt
tde
Tde

T
teKtu
D
i
p
ττ

Và chuyển về dạng hàm truyền:








++= ST
sT
KsR
d
i
p
.
1
1)(

ðây chính là cấu trúc của bộ ñiều khiển PID lý tưởng
Các bộ ñiều khiển có thể sử dụng từng thành phần P, I, D riêng rẽ hoặc phối
hợp với nhau. Theo các tài liệu thống kê thì có khoảng 60% các bộ ñiều khiển trong
công nghiệp có cấu trúc PI, 20% có cấu trúc PID và khoảng 20% có cấu trúc P

thuần tuý.
1.2.1.1. Tác ñộng tỷ lệ.
Một bộ ñiều khiển tỷ lệ ñưa ra tín hiệu ñiều khiển tức thời tỷ lệ với sai lệch
ñiều khiển: U(t) = K.u
p
(t) + u
b
(1.4)


Hình 1.7: Mô hình bộ ñiều khiển trong miền Laplace.


R(s) P(s)
Y
o
(s)
Y
m
(s)
U(s)

D(s)

Y(s)

N(s)


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

13

ðộ dịch u
b
(bias) là một hằng số biểu thị giá trị tín hiệu ñiều khiển khi sai lệch
bằng 0. sai lệch càng lớn thì tác ñộng tỷ lệ càng lớn và ngược lại, mức ñộ phụ thuộc
vào hệ số khuếch ñại K. Tuy nhiên, ñộ dịch u
b
không ñảm bảo sai lệch e có thể tiến
ñến 0 trong trường hợp khi mà ñộ dịch không ñược xác ñịnh một cách chính xác.
Nếu bản thân quá trình là tích phân thì ñộ dịch ñược chọn bằng 0, còn trong trường
hợp còn lại ñộ dịch có thể ñược tạo ra bởi một khâu truyền thẳng (bù giá trị ñặt)
hoặc bởi thành phần tích phân. Luật tỷ lệ tác ñộng nhanh và tức thời có tác dụng cải
thiện tốc ñộ ñáp ứng của hệ thống và vì vậy có tác dụng quan trọng trong giai ñoạn
ñầu của quá trình quá ñộ.
Hệ số khuếch ñại có thể chọn âm hay dương là tuỳ theo yêu cầu cụ thể của bài
toán và tuỳ theo ñặc tính quá ñộ của cảm biến hay của van. Giá trị K âm tương ứng
với tác ñộng thuận, khi ñó tín hiệu ñiều khiển sẽ tăng khi ñầu ra của quá trình và
ngược lại.
Với giá trị dương K bộ ñiều khiển sẽ có tác ñộng ngược tức là tín hiệu ñiều khiển
tăng thì ñầu ra của quá trình sẽ giảm và ngược lại.
Bên cạnh hệ số khuếch ñại K, trong thực tế người ta còn dùng khái niệm dải tỷ
lệ ñược ñịnh nghĩa bởi: P
b
= (u
max
– u
min
)/K
Ý nghĩa của dải tỷ lệ chính là phạm vi mà giá trị của sai lệch cho phép mà tín

hiệu ñiều khiển vẫn nằm trong dải cho phép. Với K >> 1 thì luật ñiều khiển chỉ
tuyến tính trong với những giá trị sai lệch tương ñối nhỏ.
1.2.1.2. Tác ñộng tích phân.
Tác ñộng tích phân ñưa ra tín hiệu ñiều khiển tỷ lệ với tổng tích luỹ của sai lệch
ñiều khiển e(t):
∫
+=
t
udtte
T
K
tU
0
1
1
)0()()(

với u(0) là giá trị ban ñầu của tín hiệu ñiều khiển.
Với bất cứ một sai lệch nào khác không cũng tạo ra sự thay ñổi trong tín hiệu
ñiều khiển. Vì thế, hệ thống chưa thể ñến trạng thái xác lập. Tác ñộng tích phân tác
ñộng chậm so với sự thay ñổi của e(t). Do vậy, chế ñộ tích phân còn ñược gọi là chế
ñộ chậm (slow mode). Thông thường tác ñộng tích phân làm xấu ñặc tính ñộng học