LUẬN VĂN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PI/PID ĐỂ NÂNG CAO SỰ ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN CÓ THỜI GIAN TRỄ
TÓM TẮT
Trong các hệ thống điều khiển đa vòng lặp, sự tương tác năng động giữa các
vòng lặp kín có thể được sử dụng để nâng cao hiệu suất ổn định và bền vững,
nhưng rất khó để xác định một cách chính xác, bởi vì có một số yếu tố làm cho cho
hệ thống không chắc chắn và phức tạp hơn.
Do đó, phương pháp thiết kế mới nhằm xác định những tương tác này và đề
xuất cấu trúc bộ điều khiển PI nhiều vòng lặp. Phương pháp này có thể kết nối sự
tương tác năng động của các vòng lặp kín (mối quan hệ độ lợi- RGA) và sự phân ly
tĩnh để giảm quá trình tương tác thành công.
RGA có chứa phân ly tĩnh có thể được áp dụng cho các chế độ điều khiển tích
phân, điều đó có ý nghĩa quan trọng ở tần số thấp và bỏ qua các yếu tố tương tác ở
tần số cao, đồng thời các yếu tố này có thể được bù đắp để vượt trội ở tần số cao.
Dựa trên mối quan hệ độ lợitần số phụ thuộc, sự cân bằng giữa một số yếu tố của
quá trình tương tác rất hữu ích để mang lại sự tương tác lặp vào phép tính và làm
cho hệ thống điều khiển đa vòng lặp vận hành một cách hoàn hảo hơn.
Phương pháp thiết kế đề xuất thì đơn giản và dễ dàng thực hiện. Một số mô
hình điều khiển nổi tiếng được nghiên cthực hiện để chứng minh sự đơn giản và
hiệu quả của phương pháp thiết kế bộ điều khiển đề xuất này.
v
ABSTRACT
In multi-loop control system, the closed-loop dynamic interaction can be used
to enhance the stable and robust performance but it is difficult to obtain exactly
because there are several uncertain factors, which make control system is more
complicated.
Consequently, the new design method is aimed to specify these interactions
and propose new design method of multi-loop PI controller. The proposed method
can connect the closed-loop dynamic interactions (i.e., the relative gain array) and
static decoupler for reducing the process interactions successfully.
The RGA that contains static decoupler can be applied to the integral control
mode , which is significant at low frequencies and neglected at high frequencies,
the proposed dynamic interaction factor can be compensated for proportional gain,
which is predominant at high frequencies. In accordance with frequency-dependent
relative gain array, the tradeoffs between some factors of process interactions is
helped to bring the loop interactions into account that is maked the performance of
multi-loop control system more perfectly.
The proposed method is simple, straightforward and easily implemented in
practice. Several well-known process models are studied to demonstrate how
simplicity and effectiveness of the proposed method.
vi
MỤC LỤC
Trang
Trang tựa .......................................................................................................................
Quyết định giao đề tài ...................................................................................................
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................. i
Lời cam đoan ......... ..................................................................................................... ii
Lời cảm tạ .................................................................................................................. iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................................... x
Danh sách các bảng ................................................................................................ xiii
Danh sách các hình ................................................................................................... xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 1
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài ................................................................................ 1
1.4 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 1
1.5 Tổng quan về bộ điều khiển PID .......................................................................... 2
1.5.1 Điều khiển cổ điển ............................................................................................. 2
1.5.2 Bộ điều khiển PID .............................................................................................. 2
1.5.3 Hệ thống điều khiển hiện đại ............................................................................. 3
1.5.4 Các hệ thống điều khiển điển hình ..................................................................... 3
CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNGVÒNG LẶP PI/PID
ĐIỂN HÌNH .............................................................................................................. 6
2.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 6
2.2 Phương pháp Ziegler-Nichols (Z - N) .................................................................. 7
2.3 Phương pháp điều chỉnh BLT (BLT) ................................................................... 8
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN PI/PID ĐIỂN HÌNH .................................................................................. 12
3.1 Phương pháp SAT (Loh, 1993) ........................................................................... 12
vii
3.1.1 Vòng lặp kín với chế độ dò tự động liên tục .................................................... 12
3.1.2 Thiết lập trọng số ............................................................................................. 13
3.1.3 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp SAT .................................. 14
3.1.4 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 14
3.1.4.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 14
3.3.4.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 15
3.2 Điều chỉnh Mp ..................................................................................................... 16
3.2.1 Nguyên tắc cơ bản của điều chỉnh MP ............................................................. 16
3.2.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều chỉnh Mp ................... 17
3.2.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 17
3.2.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 17
3.2.3.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 18
3.3 Thiết kế phương pháp độ lợi và pha biên đa vòng lặp (Gain and Phase Margin -
GPM) ......................................................................................................................... 19
3.3.1 Nguyên tắc cơ bản của GPM ........................................................................... 19
3.3.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp GMP ................................. 21
3.3.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 22
3.3.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 22
3.3.3.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 23
3.4 Phương pháp thiết kế đa vòng lặp các miền Gershgorin (GB) ........................... 24
3.4.1 Nguyên tắc cơ bản của GB............................................................................. 20
3.4.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp GB .................................... 25
3.4.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 25
3.4.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 26
3.4.3.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 26
3.5 Các phương pháp điều chỉnh phân tán λ (DLT) .................................................. 27
3.5.1 Nguyên tắc cơ bản của DLT ............................................................................ 27
3.5.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp DLT ................................ 28
3.5.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 28
viii
3.5.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 28
3.5.3.2 Ví dụ 2 ............................................................................................................ 29
3.6 Phương pháp một tham số (OPM) ...................................................................... 30
3.6.1 Nguyên tắc cơ bản của OPM ......................................................................... 30
3.6.2 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp OPM ................................. 31
3.6.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 31
3.6.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 31
3.6.3.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 32
3.7 Chiến lược thiết kế độc lập ................................................................................. 33
3.8 Phương pháp Wang 2 (RAIS) ............................................................................. 34
3.8.1 Nguyên tắc cơ bản ............................................................................................ 34
3.8.2 Những ưu điểm và nhược điểm của RAIS ....................................................... 35
3.8.3 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 35
3.8.3.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 35
3.8.3.2 Ví dụ 2 ............................................................................................................ 36
3.9 Phương pháp Wang 1 (CRPTRO) ....................................................................... 37
3.9.1 Những ưu điểm và nhược điểm của phương pháp CRPTRO .......................... 37
3.9.2 Các dạng nghiên cứu ........................................................................................ 38
3.9.2.1 Ví dụ 1 ........................................................................................................... 38
3.9.2.2 Ví dụ 2 ........................................................................................................... 39
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH BỀN
VỮNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................. 40
4.1 Các chỉ tiêu chất lượng ........................................................................................ 40
4.2 Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng quá độ .......................................................... 40
4.3 Phương pháp ổn định bền vững theo giá trị Ms .................................................. 42
CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
TỐI ƯU .................................................................................................................... 45
5.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 45
5.2 Phương pháp đề xuất ........................................................................................... 45
ix
5.2.1 Thiết kế của bộ điều khiển PI đa vòng lặp kín dựa trên việc cân bằng sự tương
tác của các yếu tố và RGA ........................................................................................ 45
5.2.2 Phân tích hệ thống đa vòng lặp ........................................................................ 49
5.2.2.1 Giới hạn trường hợp xấu nhất để cân đối với độ lợi tại tần số cao ............... 49
5.2.2.2 Các cấu trúc điều khiển lựa chọn cho quá trình nhiều thời gian trễ ............. 51
5.3 Sự điều chỉnh lại của hệ thống điều khiển đa vòng lặp để tăng cường sức mạnh
và bền vững ............................................................................................................... 52
5.4 Trình tự thiết kế bộ điều khiển PI đa vòng lặp .................................................... 54
CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN ĐA BIẾN .................................................................................................... 56
6.1 Các mô hình và phương pháp so sánh................................................................. 56
6.2 Mô phỏng và so sánh .......................................................................................... 56
6.2.1 So sánh phương pháp đề xuất với phương pháp mô hình tháp VL.................. 56
6.2.2 So sánh phương pháp đề xuất với mô hình ISPR bởi Chien ............................ 59
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 63
x
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PID Proportional Integral Derivative
BLT Biggest Log Modulus
DLT The decentralized λ tuning
IMC Integral Model Control
IAE Integral Absolute Error
ISE Integral Square Error
ITAE Integral Time Absolute Error
MIMO Multi-Input Multi-Output
NMP Nonminimum Phase
RP Robust Performance
RS Robust Stability
Ms Maximum Sensitivity
SISO Single-Input Single-Output
SSV Structured Singular Value
SV Singular Value
VL Vinante and Luyben
WB Wood and Berry
ISPR Industrial-Scale Polymerization Reactor
RAIS Rational Approximation of the Irational Solutions
FOPDT First Order Plus Dead Time
Ký hiệu khoa học
e(s) Tín hiệu sai số liên tục
xi
Gc(s) Hàm truyền của bộ điều khiển
Gp(s) Hàm truyền của quá trình xử lý
Kc Độ lợi hệ thống điều khiển
KP Độ lợi tỷ lệ
KI Độ lợi tích phân
TI Thời gian tích phân
TD Thời gian đạo hàm
td Thời gian trễ
