ĐỒ án TRANG BỊ ĐIỆN Trừ nhiễu lò phản ứng

Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển, cùng với sự phát triển đó thì kĩ thuật
điều khiển q trình cũng phát triển theo với nhiều cấu trúc điều khiển tiên tiến
đã ra đời,bên cạnh cấu trúc điều khiển kinh điển mà chúng ta vẫn nghiên cứu và
sử dụng thì co sự ra đời và ứng dụng của một số cấu trúc điều khiển khác như là
cấu trúc điều khiển nối tầng Cascde control,cấu trúc điều khiển theo mơ hình nội
IMC, cấu trúc điều khiển Feed forward control…..Mục đích cuối cùng khi sử
dụng các bộ điều khiển này là loại bỏ nhiễu tác động lên quá trình.
Qua quá trình nghiên cứu thì chúng ta có thể thấy được cấu trúc điều khiển
Cascade control cho phép loại bỏ nhiễu tác động lên quá trình,tuy nhiên vẫn còn
nhiễu xuất hiện ở giai đoạn cuối của q trình thì điều khiển nối tầng khơng thể
loại bỏ được.Chính vì thế mà khi sử dụng mơ hình điều khiển Feed Forward cho
phép khắc phục được các nhược điểm của điều khiển theo mơ hình nối tầng.
Khi được học mơn trang bị điện của thầy giáo Phạm Văn Tồn thì em đã
được phân cơng nghiên cứu về cấu trúc điều khiển Feed Forward và sử dụng cấu
trúc đó để điều khiển loại trừ nhiễu ở lò phản ứng.
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên thiết kế mơn học của em cịn có
nhiều thiếu sót,kính mong thầy chỉ giảng để em có thể hồn thiện bài thiết kế
môn học này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo trong Bộ mơn Tự động hố
XNCN đặc biệt là thầy giáo Phạm Văn Toàn và các bạn trong lớp đã tận tình
giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hồn thành thiết kế mơn học này.
Hp.Ngày 10 tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Bùi Mạnh Cường

1

Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện

MỤC LỤC
Lời nói đầu …………………………………………………………………1
Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình……………………………...3
1.1: Cấu trúc bộ điều khiển Feedforward……………………………...3
1.2:Thiết lập mơ hình q trình và mơ hình nhiễu……………………..5
1.3:Thành lập các thành phần cấu thành Feedforward…………………6
1.4:Khả năng điều khiển theo mơ hình Feedforward…………………..7
1.4.1:Mơ hình bậc cao………………………………………….............7
1.4.2:Sự khác biệt của thời gian chết trong diều khiển Feedforward…..8
1.4.3:Dạng mơ hình của các khâu qn tính…………………………...9
1.4.4:u cầu đối với hằng số thời gian quá trinh……………………..10
Chương 2:Tổng hợp bộ điều khiển PID……………………………………...12
2.1:Tổng hợp theo phương pháp trực tiếp………………………..........12
2.2:Tổng hợp theo mơ hình nội IMC…………………………………..13
2.2.1:Cấu trúc điều khiển của IMC…………………………………….14
2.2.2:Hàm truyền của mạch vịng kín IMC…………………………….15
2.2.3:Tổng hợp bộ điều khiển theo IMC……………………………….15
Chương 3: Thiết lập mơ hình mơ phỏng Feed Forward control cho
lò phản ứng……………………………………………………………………17
3.1:Khái quát về lò phản ứng…………………………………...........17
3.2:Loại bỏ nhiễu cho lò phản ứng khi điều khiển FF………………..19
3.3:Kết quả mô phỏng…………………………………………………20
Kết luận.
Tài liệu tham khảo.

2


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình
1.1.

Cấu trúc bộ điều khiển Feedforward
Một cách để loại trừ tác động của nhiễu là dùng cấu trúc điều khiển Feed

Forward. Cấu trúc Feed Forward có thể dùng loại bỏ cả nhiễu không đo được.
Sơ đồ cấu trúc điều khiển Feed Forward tổng quát được biểu diễn trên hình 1.1.
Dùng cấu trúc Feed Forward ta có thể loại trừ cả hai tín hiệu nhiễu ở trên.
Khi dùng hệ phản hồi truyền thống, đáp ứng điều khiển chỉ được đưa ra sau khi
có tín hiệu phản hồi từ quá trình thực tế. Nên phản ứng xảy ra thường là chậm và
có thể ảnh hưởng xấu đến tính ổn định của hệ thống.
Bộ điều khiển Feed Forward sử dụng sensor để đo trực tiếp tín hiệu nhiễu
trước khi nó ảnh hưởng đến quá trình. Như trong sơ đồ hình 1.2 phần tử Feed
Forward nhận giá trị đo được của tín hiệu nhiễu và dùng nó để tính tốn, sắp sếp
các hành động điều khiển ưu tiên để giảm tác động của nhiễu khi nó tác động lên
q trình.
Disturbance
Variable II
Disturbance
Variable I

ysetpoint
Feedback
controller

Disturbance
Process II

Disturbance
Process1

y(t)

Final
control
Element

Secondary
Process

Primary
Process

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển Feedforward

3


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

d(t)

Disturbance to
Process Variable
Behavior
senso
r

Feed Forward Element

- Ufeed back
ysetpoint

Traditional
Feedback
controller

Ufeedback

Utotal

Controller Output to
Process Variable
Behavior

y(t)

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Feed Forward sử dụng Sensor quan
sát nhiễu và bố trí bộ điều khiển Feed Forward

Phần tử Feed Forward gồm có mơ hình nhiễu (Disturdance model) và mơ
hình q trình (Process Model). Cả hai mơ hình đều là tuyến tính. Sự tính tốn
được thực hiện bởi phần tử Feed Forward được thực hiện theo hai bước sau:
- Mơ hình nhiễu nhân giá trị đo của nhiễu D(t) và tiên đốn ảnh hưởng khi
nào, mức độ mà biến q trình y(t) sẽ bị ảnh hưởng.
- Đưa ra thứ tự tiên đốn ảnh hưởng đến biến q trình y(t), mơ hình q
trình (Process Model) sau đó sẽ tính lại một chuỗi các hành động điều khiển
ufeedforward(t) để làm mất tác dụng của nhiễu khi nó đến.
Sự thực hiện này địi hỏi các mơ hình tuyến tính được lập trình trong
máy tính điều khiển. Nhưng mơ hình tuyến tính khơng thể thiết kế chính xác
hành vi của q trình thực. Nên cấu trúc này sẽ khơng loại bỏ hồn tồn ảnh
hưởng của nhiễu.

4


Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện

Như trên hình 1.2, ta thấy hành động điều khiển được tính tốn
ufeedforward(t) được đảo dấu. Nó sẽ được cộng với tín hiệu ra từ bộ điều khiển
phản hồi truyền thống ufeedback(t) để tạo ra tín hiệu điều khiển tổng:
Utotal(t) = ufeedforward(t) - ufeedback(t) (*)
1.2.

Thiết lập mơ hình q trình và mơ hình nhiễu
Phép biến đổi laplace được sử dụng trong quá trình thiết lập mơ hình tốn

học cấu thành Feed Forward. Vì vậy phương pháp thành lập thuật tốn cơ bản

cho mơ hình Feed Forward là hết sức cần thiết trong quá trình nghiên cứu.
Phương pháp thiết lập mơ hình q trình có thể tóm tắt như sau: dữ liệu
q trình được lưu giữ và đánh giá sự tăng/giảm của nó hoặc nếu khơng có sự
nhảy bậc (perturbing) tín hiệu ra của bộ điều khiển u(t) và ghi lại biến số đo
được y(t) khi đáp ứng quá trình được phản hồi. Trạng thái ban đầu của chu trình
được coi là ổn định và trạng thái được xác định tại thời điểm đo.
Mơ hình q trình sử dụng phương trình động học tuyến tính từ khâu qn
tính bậc nhất (FO) có thời gian chết (FOPDT: First Order Plus Time), cho đến
khâu bậc hai (SO) với thời gian chết (SOPDT) và thời gia n giữa các giai đoạn
đo được. Nếu ta gọi mơ hình q trình là Gp(s), thì trong khơng gian laplace ta
có thể viết:
Y(s) = Gp (s).U(s)

(1.1)

Đó là biểu thức tính đầu ra của bộ điều khiển, phương trình (1.1) có thể
tính tốn biến số quá trình đo được. Từ phương trình này dự đốn sự thay đổi
của biến số q trình, so sánh với tín hiệu đo được và tín hiệu ra của bộ điều
khiển sẽ được tính tốn lại nếu có sự sai khác:
U(s) = [1/Gp(s)]Y(s)

(1.2)

Mơ hình nhiễu cũng được thành lập tương tự mơ hình q trình, biến
nhiễu là d(t), trong khơng gian laplace có thể viết:
Y(s) = GD(s).D(s)

(1.3)

Phương trình (1.3) xác định với các biến nhiễu đo được tác động lên quá

trình.
1.3.

Thành lập các thành phần cấu thành Feed Forward
5


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Đáp ứng của nhiễu tác động lên đáp ứng q trình được đo trong mạch
vịng phản hồi truyền thống. Đáp ứng của nhiễu tính đo được tính tốn theo mơ
hình:
Ydisturb(s) = GD(s).D(s)

(1.4)

Tín hiệu ra của bộ điều khiển theo mơ hình nhiễu viết được:
Ufeedforward(s) = [1/Gp(s)]Ydisturb(s)

(1.5)

Thay phương trình (1.4) vào phương trình (1.5) ta được:
Ufeedforward = [GD(s)/Gp(s)]D(s)

(1.6)

Cuối cùng ta tính được tín hiệu điều khiển q trình loại bỏ được nhiễu
dựa trên mạch vịng kín phản hồi truyền thống:

Utotal = Ufeedback - Ufeedforward
1.4.

(1.7)

Khả năng điều khiển theo mơ hình Feed Forward

1.4.1. Mơ hình bậc cao
Mơ hình q trình tuyến tính bậc nhất hay mơ hình quá trình bậc hai
SOPDT w/L nghiên cứu ở trên và chúng là mơ hình lựa chọn cho bộ điều khiển.
Lí thuyết Feed Forward cũng cho phép sử dụng mơ hình tuyến tính bậc 3, bậc 4
và bậc cao hơn cho các thành phần Feed Forward khi thiết lập các bộ điều khiển
ở các nhà máy, những dữ liệu có được sẽ điều khiển chính xác cho 3 tham số
của mơ hình FOPDT là một nhiệm vụ quan trọng, với kết quả điều khiển đạt
được rất khả quan và mơ hình FOPDT chính xác thường có khả năng loại bỏ
nhiễu loạn Feed Forward hiệu quả. Có được bộ dữ liệu giàu thơng tin động và
loại trừ ảnh hưởng của nhiễu có thể điều khiển những giá trị chính xác cho 5
tham số của mơ hình SOPDT w/L là rất khó cho những ứng dụng thực tế và đẩy
nhanh thực thi một cách thực tế gần giới hạn cho phép.Chỉ một số rất ít những
ứng dụng là có lợi từ mơ hình so với sự phức tạp mà mơ hình q trình được
thiết lập ở trạm điều khiển Feed Forward.
Mơ hình q trình bậc hai SOPDT w/L trong khoảng thời gian nghiên cứu
có dạng như sau:
τ p1 .τ p 2

du (t − θ p ) 

d 2 y (t )
dy (t )
+ (τ p1 + τ p 2 )

+ y (t ) = K p u (t − θ p ) + τ pL

2
dt
dt
dt



6

(1.8)


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Trong không gian laplace mô hình quá trình được biểu diễn như sau:
Y (s) =

K p (τ pL s + 1)e

−θ p s

(τ p1 + 1)(τ p 2 +1)

(1.9)

U (s)

Mơ hình của phương trình (1.8) giống với mơ hình của phương trình (1.9)
cả hai đều là phương trình vi phân tuyến tính có các hệ số là hằng số. Nếu mơ
hình SOPDT w/L đều sử dụng cả hai mơ hình nhiễu và q trình theo phương
trình (1.6), thành Feed Forward trở thành:

 K
U feedforward =  D
 K P



  (τ p1 + 1)(τ p 2 + 1)(τ DL + 1)  −(θ D −θ p ) s 

 D( s ) (1.10)
 (τ + 1)(τ + 1)(τ + 1)  e

D2
PL
  D1



Mơ hình này có thể được xem như thành phần cấu thành Feed Forward
động bởi vì các biến phụ thuộc thời gian bao gồm các hằng số thời gian và thời
gian chết đều bao gồm trong tính tốn theo mơ hình Feed Forward.
1.4.2. Sự khác biệt của thời gian chết trong điều khiển Feed Forward
Như chúng ta đã nghiên cứu ở trên thời gian chết quá trình phải ngắn hơn
thời gian chết của nhiễu thì mơ hình điều khiển Feed Forward loại bỏ tác động
của nhiễu lên biến quá trình. Thực tế, cấu trúc điều khiển không cho phép nhập

vào thời gian chết quá trình lớn. Đây là một hạn chế của phầm mềm điều khiển
theo nhưng là yêu cầu của thuật tốn điều khiển.
Nếu

θ p > θD ,

khi đó phương trình của mơ hình q trình với bộ điều khiển

được tổng hợp theo phương pháp mơ hình nội IMC thì những tín hiệu điều khiển
đầu tiên sẽ khơng có tác dụng và khơng có sự chính xác vì thơng tin biến đổi của
q trình khơng được cập nhật. Khả năng quan sát những thông tin ban đầu là
không phù hợp với q trình thực. Như vậy với mơ hình điều khiển Feed
Forward địi hỏi hằng số thời gian của q trình phải nhỏ hơn hằng số thời gian
của nhiễu thì khả năng điều khiển mới trở thành hiện thực.
1.4.3. Dạng mô hình của các khâu qn tính
Một tình huống thứ hai mà mơ hình Feed Forward khó thực hiện hoặc khó
nhận biết được gây ra là lỗi nhầm hằng số thời gian và các giai đoạn dẫn hướng
(lead time turms) của mơ hình q trình và mơ hình nhiễu. Như được đề cập ở
phần trước, cả hai hằng số thời gian quá trình đều ở tử số cùng với lead time
7


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

nhiễu và cả hai hằng số thời gian nhiễu đều ở mẫu số cùng với lead time q
trình. Một mơ hình mà nhận biết được về mặt vật lý đòi hỏi hằng số thời gian ở
tử số phải nhỏ hơn hoặc bằng hằng số thời gian ở mẫu số. Trạm điều khiển có
khả năng thực hiện nhưng cịn phụ thuộc mơ hình tốn mơ tả các bước. Có nhiều

phương pháp để tạo ra một phần tử Feed Forward nhận biết được. Một vài ví dụ
về dạng phù hợp và không phù hợp được mô tả như sau:
Khi mơ hình q trình có dạng FO hoặc FOPDT và mơ hình nhiễu có
dạng SO hoặc SOPDT thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau:
 K

U feedforward ( s ) =  D
 K p



(τ p1 s + 1)
 −(θ D −θ p ) s 


e
D ( s )
 (τ s + 1)(τ s + 1) 

D2

 D1


(1.11)

Khi mơ hình q trình có dạng FO hoặc FOPDT và mơ hình nhiễu có
dạng SO w/L hoặc SOPDT w/L thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau:
 K


U feedforward ( s ) =  D
 K p


 (τ p1 s + 1)(τ DL s + 1)  −(θ D −θ p ) s 


e
D ( s )
 (τ s + 1)(τ s + 1) 

D2
 D1




(1.12)

Khi mơ hình q trình có dạng SO hoặc SOPDT và mơ hình nhiễu có
dạng SO hoặc SOPDT thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau:
 K

U feedforward ( s ) =  D
 K p


 (τ p1 s + 1)(τ p 2 s + 1)  −(θ D −θ p ) s 



e
D ( s )
 (τ s + 1)(τ s + 1) 

D2

 D1


(1.13)

Khi mơ hình q trình có dạng SO hoặc SOPDT và mơ hình nhiễu có
dạng SO w/L hoặc SOPDT w/L thì U(s) ở đầu ra phần tử Feed Forward như sau:

 K
U feedforward ( s ) =  D
 K p



 (τ p1 s + 1)(τ p 2 s + 1)(τ DL s + 1)  −(θ D −θ p ) s 

D ( s )
e

(τ D1 s + 1)(τ D 2 s + 1)







(1.14)

Dạng này khơng nhận biết được vì có nhiễu hằng số thời gian ở tử số hơn
ở mẫu số, do đó địi hỏi lập trình hoạt động khơng khả thi về mặt vật lí.
1.4.4. u cầu đối với hằng số thời gian q trình
Mơ hình theo phương trình (*) được gọi là hàm truyền trong khơng gian
laplace, cũng có thể được mơ tả như một phương trình vi phân tuyến tính thuần
nhất khá phức tạp với hệ số là hằng số trong không gian thực. Kết quả của
phương trình vi phân này khơng ổn định nếu bất cứ hằng số thời gian nào ở mẫu
âm.
8


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Nếu τD1 hoặc τD2 ở mẫu sẽ có giá trị âm khi hằng số thời gian theo định
nghĩa ln dương. Lead time của q trình τPL sẽ mang giá trị âm nếu biến quá
trình đo được bị đảo pha do nhảy bậc trong tín hiệu ra của bộ điều khiển. Nhưng
bởi vì τPL ở mẫu số nên nó khơng thể mang giá trị âm nếu khơng thì tính tốn
Feed Forward sẽ khơng ổn định.
Nếu q trình bị đảo pha và vì thế cho một τPL âm sau khi mơ hình được
xác lập, hướng đi tốt nhất là dùng mơ hình FOPDT và ước lượng phần đảo pha
là thời gian chết dài. Điều lý thú là nhiễu có thể có phần tử lead âm bởi vì lead
term của nhiễu nằm ở tử số của phần tử Feed Forward.
1.5.

Điều khiển Feed Forward trạng thái tĩnh

Khi nghiên cứu chi tiết khả năng thực thi của bộ điều khiển Feed Forward ở chế
độ động. Bộ điều khiển Feed Forward động sử dụng biến mơ hình phụ thuộc
thời gian trong tính tốn Feed Forward khi có u cầu tính tác động chính xác.
Những tính tốn này bao gồm hằng số thời gian và điều kiện thời gian đưa ra
đáp ứng của quá trình, và điều kiện thời gian chết miêu tả thời gian trễ trước khi
đáp ứng của quá trình bắt đầu.
Bộ điều khiển Feed Forward tĩnh không xem xét đến thơng tin phụ thuộc thời
gian trong tính tốn Feed Forward. Chỉ có độ lớn của đáp ứng như được dự đoán
bằng tỉ lệ của hệ số khuếch đại quá trình ở trạng thái ổn định được sử dụng. Khi
đó, mơ hình động chung của Feed Forward

như phương trình (1.10) cịn

phương trình Feed Forward tĩnh đơn giản hơn như sau:
K
U feedforward ( s ) =  D
K
 p


.D( s )



(1.15)

Phương trình (1.15) thể hiện tác động điều khiển Feed Forward đơn giản là hằng
số nhân với giá trị hiện tại của tín hiệu nhiễu. Hằng số được tính bằng tỉ số của

hệ số khuếch đại của mơ hình nhiễu trên hệ số khuếch đại của mơ hình q trình.
Lợi ích của Feed Forward tĩnh là các bộ điều khiển thương mại đủ tinh vi để cho
phép thực thi các thuật tốn đơn giản này và khi đó khơng cần phải có mơ hình
được lập trình điều khiển trên máy tính.

9


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Chương 2: Các phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển PID
2.1. Tổng hợp theo phương pháp trực tiếp
( The direct synthesis design equation )
Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển được thể hiện ở hình 2-1:
E(s)

YSP(s)

U(s)
GC(s)

Y(s)
GP (s)

-Y(s)

Hình 2-1 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển
Với YSP(s) là tín hiệu đặt, Y(s) là đáp ứng đầu ra của hệ thống. Đáp ứng

đầu ra của hệ thống được gọi là biến q trình, thơng thường biến q trình
mong muốn sẽ biến đổi theo hàm tốn học có bậc từ 2 trở lên và đạt tới điểm
đặt. E(s) là sai lệch điều khiển. G(s) là bộ điều khiển và đầu ra của bộ điều
khiển là biến trạng thái điều khiển quá trình thể hiện dưới hà m truyền GP(s).
Bộ điều khiển cơ bản nhất được ứng dụng để điều khiển quá trình thường
được thiết kế với dạng tổng quát PID. Quá trình tính tốn để tổng hợp bộ điều
chỉnh dựa trên sơ đồ cấu trúc đơn giản như hình 2-1 với hàm truyền hệ kín
được viết như sau:
GC ( s )G P ( s )
Y (s)
=
YSP ( s ) 1 + GC ( s )G P ( s)

(2-1)

Từ phương trình (2-1) ta giải ra và xác định hàm truyền của bộ điều khiển:
GC ( s ) =

1
Y (s)
G P ( s ) YSP ( s ) − Y ( s )

(2-2)

Chia cả tử và mẫu cho YSP(s) ta nhận được phương trình của bộ điều
khiển theo phương pháp tổng hợp trực tiếp:
Y ( s)
YSP ( s )
1
GC ( s ) =

Y(s)
G P (s)
1YSP ( s )

10

(2-3)


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Tiếp theo ta cần chỉ rõ hơn trong vịng lặp kín biến số của q trình đo
được sẽ tăng tương ứng với khi sự thay đổi tín hiệu đặt ở mức xác định.
Hàm truyền được biểu diễn dưới dạng FOPDT ( first order plus dead time):
K e −θC s
Y ( s)
= CL
YSP ( s )
τ C s +1

(2-4)

Hình 2-2 : Mơ tả đáp ứng q trình khi thay đổi giá trị đặt
Với phương trình (2-4) và đáp ứng của q trình theo tín hiệu đặt mong
muốn các hệ số và thông số được định nghĩa như sau:
KCL : Hệ số khuếch đại của hệ thống điều khiển biến q trình theo tín
hiệu đặt. Ta ln mong muốn biến điều khiển luôn cân bằng với các giá trị điểm
đặt xác định. Mỗi khi giá trị điểm dặt thay đổi

trình

∆ (t )
Y

∆ SP (t )
Y

thì biến điều khiển quá

phải được phản hồi nhanh nhất và cuối cùng biến đổi với mức độ

tương đương. Vì thế giả sử những phản hồi thu được tính tốn bằng máy tính
cho đén khi quá trình ổn định thì kết quả cuối cùng:
K CL =

∆Y (t )
=1
∆Y SP (t )

θ C: Thời gian chết của mạch vịng kín
Thời gian chết trong điều khiển luôn là điều không mong muốn. bất cứ
khi nào có thể chúng ta nên tránh việc thêm thời gian chết vào trong mạch vịng
lặp. Trong q trình điều chỉnh các bộ điều khiển quá trình thường vẫn tồn tại
thời gian chết nên lưu ý đặt thời gian chết nhỏ nhất cho bộ điều khiển mà không
làm tăng thời gian chết cho quá trình vì thế :
11


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

θC(t) = θP(t)
τC: Hằng số thời gian của mạch vịng kín
Xác định tốc độ phản hồi của của quá trình khi điểm đặt thay đổi. Trong
quá trình thiết kế hệ thống để đáp ứng quá trình có độ q chỉnh trong khoảng từ
10% đến 15% . Khi tín hiệu đặt đầu vào của hệ thống xuất hiện thì τ C lớn hơn
0,1τP hoặc 0,8θP . Đáp ứng của hệ thống khơng có q chỉnh khi hằng số thời
gian được chọn τC lớn hơn 0,5τP hoặc 4θP
Những quy luật này chỉ ra rằng nếu thời gian chết có giá trị nhỏ q trình
phản hồi trong mạch kín sẽ nhanh hơn từ 2÷10 lần q trình trong mạch hở. Vì
thế phản hồi mong muốn với vịng lặp kín của đáp ứng khi thay đổi điểm đặt đầu
vào trong (2-4) trở thành :
Y ( s)
e −θ P s
=
YSP ( s ) τ C s + 1

(2-5)

Thế (2-5) vào (2-3) ta được :
1
e −θ P s
GC ( s ) =
G P ( s ) τ C s + 1 - e -θ P s

(2-6)

Phương trình (2-6) là phương trình thiết kế bộ điều khiển

2.2. Tổng hợp theo mơ hình nội IMC
2.2.1. Cấu trúc điều khiển của IMC ( Internal Model Control Structure )
Điều khiển theo cấu trúc mơ hình nội cũng giống như phương pháp tổng
hợp trực tiếp có thể sử dụng cho thiết kế bộ điều khiển PID.
Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng mơ hình nội:

12


Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện
D(s)

GD(s)
Y(s)

YSP(s)

E(s)

GC*(s)

U(s)

-

GP(s)
Q trình
Y*(s)

-

G*P(s)
Mơ hình q trình

Y ( s) − Y ( s)
*

Hình 2-3 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển q trình theo mơ hình nội
Điểm độc đáo của mơ hình nội là mơ hình quá trình GP*(s) nối song song
với quá trình thực mà nó mơ phỏng.
Từ sơ đồ ta thấy GP*(s) nhận tín hiệu từ đầu ra của bộ điều khiển U(s) và
sử dụng nó để tính giá trị tiên đốn Y*(s) của biến đầu ra của q trình Y(s).
Theo lí thuyết mơ hình q trình phải được tính tốn như là một phần của bộ
điều khiển.
2.2.2. Hàm truyền của mạch vòng kín IMC
( IMC Closed Loop Transfer Functions )
Với phương pháp tổng hợp trực tiếp bộ điều khiển điều chỉnh tương quan
được thiết lập dựa vào mạch vịng kín. Để xác định hàm truyền chúng ta thực
hiện cân bằng cấu trúc IMC trong mơ hình với sơ đồ cấu trúc như hình 2-3 được
viết:
Y ( s ) = U ( s )G P ( s ) + D ( s )G D ( s )

(2-7)

*
Y * ( s ) = U ( s )G P ( s )

(2-8)

[

]

*
*
U ( s ) = E ( s )GC ( s ) = YSP − Y ( s ) + Y * ( s ) GC ( s )

(2-9)

Thay các phương trình (2-7) và (2-8) vào (2-9) ta được:

[

]

*
*
U ( s ) = YSP ( s ) − U ( s )G P ( s ) − D( s )G D ( s ) + U ( s )G P ( s ) GC ( s )

13

(2-10)


Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện

Giải phương trình (2-10) ta tìm ra được:
U (s) =

*
*
GC ( s )
G D ( s )GC ( s )
YSP ( s ) −
D( s)
*
*
*
*
1 + GC ( s ) ( G P ( s ) − G P ( s ) )
1 + GC ( s )( G P ( s ) − G P ( s ) )

(2-11)

Thay (2-11) vào (2-7) và rút gọn ta có:

(

)

*
*
*
GC ( s )G P ( s )
G D ( s ) 1 − GC ( s )G P ( s )
Y (s) =

YSP ( s ) −
D( s )
*
*
*
*
1 + GC ( s ) G P ( s ) − G P ( s )
1 + GC ( s ) G P ( s ) − G P ( s )

(

)

(

)

(2-12)

Phương trình trên cho phép đáp ứng bám tín hiệu đặt khi nhiễu khơng đổi
và xác định hàm truyền của nhiễu khi tín hiệu đặt là hằng số.
Khi bám điểm đặt thì:
*
GC ( s )G P ( s )
Y ( s)
=
*
*
YSP ( s ) 1 + GC ( s )( G P ( s ) − G P ( s ) )

(2-13)

Khi loại trừ nhiễu thì:

(

)

*
*
G P ( s ) 1 − G P ( s )G C ( s )
Y (s)
=
*
*
D ( s ) 1 + GC ( s ) G P ( s ) − G P ( s )

(

)

(2-14)

Hai phương trình (2-13) và (2-14) là cơ sở cho phương pháp tổng hợp bộ
điều khiển tương quan cho hệ thống có sơ đồ cấu trúc điều khiển theo mơ hình
nội IMC.
2.2.3. Tổng hợp bộ điều khiển theo IMC
(Deriving controller tuning correlations using the IMC method )
Gồm 3 bước cơ bản để tìm ra bộ điều khiển tương quan cho cấu trúc điều
khiển theo mơ hình nội. Hai bước đầu nêu chi tiết về việc thành lập mơ hình

IMC. Bước thứ 3 liên hệ IMC với một hàm truyền điều khiển phản hồi truyền
thống để đạt được bộ điều khiển điều chỉnh tương quan.
Bước 1: Từ phương trình (2-13) để loại trừ nhiễu thì khi tính bộ điều
khiển

*
GC ( s )

ta phải nghịch đảo

*
G P (s) .

Nếu tử số của mơ hình q trình có

chứa nghiệm có phần thực dương thì bộ điều khiển sẽ khơng ổn định. Để tránh
tạo ra bộ điều khiển không ổn định ta chia mơ hình q trình ra thành tích của
thành phần:

*
*
*
G P ( s ) = G P + ( s )G P − ( s )

15)

14

(2-

Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện

Trong đó

*
G P+ ( s )

là thành phần không thể nghịch đảo được ( tức là

nghiệm của tử số có phần thực dương)
Bước 2: Đặt hàm truyền của bộ điều khiển
*
GC ( s ) =

1
F (s)
G (s)

(2-16)

*
P−

Trong đó F(s) là bộ lọc thơng thấp có hệ số khuếch đại tương đương bằng
1. Thuật ngữ Low-Pass để chỉ tần số cao bị triệt tiêu. Để thiết lập bộ điều chỉnh
tương quan thì bộ lọc F(s) có dạng:
F ( s) =

1

τ C s +1

Hằng số τC cho biết tốc độ phản hồi của một quá trình khi giá trị điểm
đặt thay đổi. Một phép thử thông dụng để đạt được độ quá điều chỉnh của đáp
ứng từ 10% đến 15% khi hằng số này lớn hơn 0,1τ P hoặc 0,8θP. Đáp ứng khơng
có q điều chỉnh khi hằng số thời gian τC lớn hơn 0,5τP hoặc 4θp.
Bước 3: So sánh mơ hình hàm truyền IMC với hàm truyền của hệ thống
kín kinh điển.Hàm truyền kín của hệ kinh điển:
Y (s) =

G P ( s )GC ( s )
G D (s)
YSP ( s ) +
D( s )
1 + G P ( s )GC ( s )
1 + G P ( s )GC ( s )

(2-17)

Chúng ta đặt dạng hàm truyền “Set Pointing Traking” như sau:
IMC:
*
GC ( s )G P ( s )
Y ( s)
=
*
*

YSP ( s ) 1 + GC ( s )( G P ( s ) − G P ( s ) )

(2-18)

Kinh điển:
GC ( s )G P ( s )
Y (s)
=
YSP ( s ) 1 + G P ( s )GC ( s )

(2-19)

Cân bằng 2 phương trình trên và rút gọn lại ta được:
GC ( s ) =

*
GC ( s )
*
*
1 − GC ( s )G P ( s )

(2-20)

Ta có thể dùng phương trình (2-20) để thiết lập bộ điều khiển phản hồi
kinh điển suy luận từ cấu trúc IMC. Cho phép chúng ta xác định được giới hạn
điều chỉnh của các thông số KP ; τI ; τD.
15


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Chương 3: Thiết lập mô hình mơ phỏng Feed Forward control cho
lị phản ứng
3.1. Khái quát về lò phản ứng
Cấu trúc tổng quát của lò phản ứng như trên hình vẽ:
F0,T0,cA0

F1,T1

Fj,TJo

V,T,cA

T,F,cA

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của lò phản ứng jacket
Thiết bị lò phản ứng được trang bị vỏ làm mát, trong đó nước lạnh đưa
vào làm mát với nhiệt độ mong muốn. Tương tự như các hệ thống phản ứng
khác, yêu cầu đặt ra cho lò phản ứng là ổn định vận hành, nâng cao chất lượng
sản phẩm, an toàn và tiết kiệm năng lượng. Vì vậy nồng độ trong lị phản ứng
phụ thuộc vào nhiệt độ nên ổn định nhiệt độ là giải pháp nâng cao chất lượng
sản phẩm.
Để xây dựng mơ hình điều khiển của lị phản ứng thì phải làm rõ biến cần
điều khiển, biến điều khiển và nhiễu.Trước hết ta đưa ra các giả thiết sau:
- Thiết bị khuấy trộn lý tưởng, nghĩa là nồng độ và nhiệt độ tại mọi điểm
giống nhau và giống nhiệt độ và nồng độ ra.
- Áp suất và khối lượng riêng của dịng q trình, trước cũng như sau phản
ứng được coi là không thay đổi đáng kể.

16


Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện

- Phản ứng có bậc n, tức là phản ứng tổng thể phụ thuộc vào bậc n của nồng
độ.
- Nhiệt độ nước làm mát đều như nhiệt độ đo tại điểm ra.
-

Vỏ làm mát được lấp đầy nước lạnh tức là thể tích nước lạnh (v 1) cũng
như bề mặt trao đổi nhiệt (AH) không đổi.
Với các giả thiết trên, hệ thống bao gồm 10 biến q trình. Trong đó,

có 6 biến vào:
+ Lưu lượng vào F0
+ Nhiệt độ vào T0
+ Nồng độ vào cA0
+ Lưu lượng ra F
+ Lưu lượng nước Fj
+ Nhiệt độ nước vào Tj0
Và 4 biến ra:
+ Thể tích V
+ Nhiệt độ T
+ Nồng độ cA
+ Nhiệt độ nước ra Tj
Phân tích các mục tiêu điều khiển kết hợp với sơ đồ công nghệ, ta xác
định được các biến cần điều khiển (V, T, c A), biến điều khiển (F, Fj) và biến

nhiễu (Tj0, F0, T0, cA0).
3.2.

Loại bỏ nhiễu khi diều khiển Feed Foraward cho lị phản ứng jacket
Mơ hình FOPDT miêu tả một cách hợp lý tính chất động của đầu ra của

bộ điều khiển so với biến quá trình đo được biểu diễn trên hình 3.1.

17


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện
Reactant feed

Flow(55l/min)
Jacket Outlet
Temp(69 C)

Cooling Jacket inlet
Temp(46 C)

Controller Output(50 C)

(Disturbance)
Set Point(86 C)
TC

Hình 3.2: Sơ đồ mơ tả cơng nghệ điều khiển Feed Forward lị phản ứng khi dùng

Sensor quan sát nhiễu
Nhiễu của lò phản ứng chủ yếu là nhiệt độ của nước làm mát. Ta có nhiệt
độ đầu vào làm mát jacket nhảy bậc từ giá trị thiết kết 46 0C xuống 400C và quay
trở về.
Để hiểu rõ hơn về điều khiển Feed Foraward loại bỏ nhiễu, chúng ta
thơng qua ví dụ điều khiển nhiệt độ của lị phản ứng jacket. Trong đó, ta tìm
cách duy trì nhiệt độ dịng chảy ra ở lị phản ứng bằng giá trị đặt nhưng phải loại
trừ nhiễu gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ đầu vào jacket làm mát. Mức thiết kế
của hệ thống là đo nhiệt độ dòng chảy ra từ lò phản ứng ở 86 0C. Những nghiên
cứu hệ hở cho thấy rằng 50% đầu ra bộ điều khiển làm việc cho lò phản ứng ổn
định ở nhiệt độ đầu ra thiết kế đo được là 86 0C khi nhiệt độ đầu vào của jacket
làm mát thường có giá trị là 400C. Như vậy, việc điều chỉnh nhiệt độ cho phản
ứng cần phải được thiết kế theo mạch vịng kín.
Mơ hình FOPDT của lị phản ứng với dữ liệu q trình động học được
tính tốn bằng phần mềm thiết kế có tham số như sau:
Hệ số khuếch đại quá trình: Kp = -0.360C/%
Hằng số thời gian:

τp = 1.58 min

Thời gian chết:

θp = 0.88 min

18


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Với những tham số này khi sử dụng các tiêu chuẩn mơ hình nội IMC để
xác định cho bộ điều chỉnh PI là:
Hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh: KC = -2.70C/%
Thời gian reset:

τI = 1.58 min

Mơ hình FOPDT của q trình đã thể hiện một cách hợp lý khi có nhiễu
so với tính chất động của biến quá trình đo được. Tham số mơ hình nhiễu này
được sử dụng để xây dựng mơ hình nhiễu cho thiết bị Feed Foraward có tham số
như sau:
Hệ số khuếch đại của nhiễu: KD = 0.950C/%
Hằng số thời gian nhiễu:

τD = 1.92 min

Thời gian chết của nhiễu:

θD = 1.3 min.

Như vậy thiết bị Feed Foraward được xây dựng có cấu trúc sau:
 0.95  (1.58s + 1)  −( 1.30 −0.88 ) s 
U feedforward ( s ) = 


e
 − 0.36  (1.92 s + 1) 


(3.1)

Phương trình (3.1) có tính hiện thực về mặt vật lý bởi vì thỏa mãn điều kiện thời
gian
3.3.

θ p < θD .

Giải pháp điều khiển Feed Forward cho lò phản ứng jacket
Chiến lược điều khiển Feed Forward bao gồm một bộ cảm biến đo trực

tiếp những thay đổi của biến nhiễu và mơ hình Feed Forward để thiết lập hoạt
động kiểm soát chuẩn dựa trên số đo. Trong trường hợp đó, bộ cảm biến là
để hạn chế sự thay đổi của nhiệt độ trong lị phản ứng.
Khi mơ hình Feed Forward nhận được tín hiệu thay đổi của nhiệt độ thì
mơ hình nhiễu liên tục dự đốn tác động về các phản ứng trong lò sẽ thay đổi
như thế nào khi thay đổi nhiệt độ trong lò.
Dựa trên những dự đốn tác động này, mơ hình sẽ tính tốn chuỗi hoạt
động kiểm sốt chính xác cho sự hoạt động tương thích với sự hoạt động của
lượng nước làm mát được đưa vào cũng như thời gian cho những hoạt động
đó. Mục đích là điều chỉnh nhiệt độ trong lị phản ứng ổn định.
Với mơ hình tương đối chính xác, bộ điều khiển Feed Forward có thể
giảm tác động do sự thay đổi nhiệt độ. Việc loại bỏ nhiễu hoàn toàn là khó
19


Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện

thực hiện, bởi vì mơ hình động học tuyến tính Feed Forward khơng mơ tả
hoạt động chính xác của các khâu phi tuyến cùng với thời gian và sự thay đổi
của mơ hình.
Để bù lại sự khơng tương thích giữa thiết bị kỹ thuật và mơ hình, bộ
điều khiển phản hồi truyền thống, hệ thống điều khiển Feed Forward. Đó là
bộ điều khiển phản hồi loại thành phần của nhiễu nhiệt độ vượt ra khỏi sự
kiểm soát của bộ điều khiển Feed Forward tác động đến lưu lượng ra của lị.
Đồng thời nó cũng cho phép loại bỏ tất cả các loại nhiễu khác ảnh hưởng đến
q trình điều khiển lưu lượng ra của lị phản ứng và tạo khả năng bám sát
giá trị đặt.
3.4.

Kết quả mô phỏng

Thiết bị Feed Forward được kết hợp với bộ điều khiển phản hồi PI đã được tổng
hợp theo phương pháp IMC cho việc nghiên cứu bộ điều khiển PI mạch vịng
đơn để điều khiển Feed Forward có thể rút gọn Feed back.
Như vậy, ta có sơ đồ mơ phỏng như hình3.3:

Hình3.3:Sơ đồ mơ phỏng hệ thống
Trong đó biến q trình đo được (nhiệt độ dịng ra lị phản ứng) được đặt ở giá
trị thiết kế 860C. Để thử nghiệm bộ điều khiển, nhiệt độ đầu vào lò làm mát
được nhảy bậc từ giá trị thiết kế là 460C xuống 400C và quay trở lại.
20


Thiết kê mơn học

Mơn:Trang bị điện

Hình 3.4:Đặc tính hệ thống khi có bộ điều khiển Feed forward
Ta thấy, khi có bộ điều khiển Feed Forward với thiết kế phản hồi rút gọn thu
được đặc tính tốt hơn mạch vịng đơn trong việc duy trì nhiệt độ đầu ra lị phản
ứng gần với giá trị không đổi là 86 0C. Cụ thể nhiệt độ đầu ra lò phản ứng đo
được chênh lệch so với giá trị đặt lớn nhất là nhỏ hơn 10C.

21


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Kết luận:
Khi dùng phần tử Feed Forward tham gia vào điều khiển quá trình khả năng loại
bỏ nhiễu tăng lên rõ rệt.Đồng thời trong điều khiển khơng cần quan tâm đến việc
tìm kiếm và thiết lập các biến phụ như điều khiển Cascade. Tuy nhiên, việc loại
trừ nhiễu hồn tồn là khơng thể có bởi vì mơ hình FOPDT chỉ xấp xỉ khâu qn
tính bậc cao và tác động phi tuyến của q trình lị phản ứng có vỏ làm mát.

22


Thiết kê môn học

Môn:Trang bị điện

Tài liệu tham khảo
[1].Thạc sĩ Hồng Xn Bình_Giáo trình điều khiển q trình_Nhà xuất bản Bộ
môn điện tự động công nghiệp trường Đại học hàng hải Việt Nam_năm 2007.

[2]. Thạc sĩ Hồng Xn Bình_Giáo trình Trang bị điện-điện tử máy công
nghiệp dùng chung_Nhà xuất bản Bộ môn điện tự động công nghiệp trường Đại
học hàng hải Việt Nam_năm 2009.
[3].Thư viện trường ĐHHH Việt Nam.

23